Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tính quang của nano vàng và ứng dụng trong y sinh

Khám phá luận văn thạc sĩ về chế tạo và nghiên cứu tính quang của nano, cùng ứng dụng trong y sinh, mở ra hướng đi mới cho khoa học.

• Tác giả: Hoàng Long
• Người hướng dẫn: TS. Trần Quang Huy
• Trường học: Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quanh học
• Đề tài: Chế tạo và nghiên cứu tính quang của nano vàng, định hướng ứng dụng trong y sinh
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. Sơ lược về công nghệ nano
• 1.2. Tính chất của nano vàng
• 1.3. 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. 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
• 2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua
• 2.3.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét
• 2.3.4. Phương pháp phân tích thành phần (EDX)
• 2.3.5. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.3.6. Phương pháp đo thế Zeta
• 2.4. Chức năng hóa nano vàng với kháng thể
• 2.5. Đánh dấu và phát hiện vi khuẩn E.coli O157 bằng nano vàng
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Chế tạo hạt nano vàng bằng phương pháp điện hóa
• 3.2. Sự hình thành nano vàng quan sát bằng mắt thường
• 3.3. Sự hình thành nano vàng khảo sát bằng UV-vis
• 3.4. Kích thước hạt nano vàng quan sát bằng TEM
• 3.5. Hình thái hạt nano vàng quan sát bằng SEM
• 3.6. Thành phần hạt nano vàng phân tích bằng EDX
• 3.7. Cấu trúc tinh thể nano vàng phân tích bằng nhiễu xạ tia X
• 3.8. Thế Zeta của dung dịch nano vàng
• 3.9. Khả năng đánh dấu và phát hiện E.coli O157 bằng nano vàng
• KẾT LUẬN CHUNG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu nano vàng trong y sinh

Nghiên cứu về nano vàng đã thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực y sinh. Với kích thước nhỏ và tính chất độc đáo, nano vàng có khả năng tương tác với các tế bào sinh học, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng nano vàng có thể được sử dụng để phát hiện các tác nhân gây bệnh, cũng như trong liệu pháp điều trị ung thư. Sự phát triển của công nghệ nano đã tạo ra những bước tiến vượt bậc trong việc cải thiện hiệu quả điều trị và giảm thiểu tác dụng phụ cho bệnh nhân.

1.1. Lịch sử và sự phát triển của nano vàng

Lịch sử nghiên cứu nano vàng bắt đầu từ thế kỷ 19 với Faraday, người đầu tiên phát hiện ra khả năng tạo keo vàng. Từ đó, nhiều phương pháp chế tạo đã được phát triển, bao gồm phương pháp hóa học, vật lý và sinh học.

1.2. Tính chất đặc biệt của nano vàng

Ở kích thước nano, nano vàng thể hiện những tính chất quang học và điện độc đáo, như hiệu ứng plasmon bề mặt, giúp tăng cường khả năng phát hiện và điều trị trong y sinh.

II. Thách thức trong nghiên cứu và ứng dụng nano vàng

Mặc dù nano vàng có nhiều tiềm năng, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc nghiên cứu và ứng dụng. Các vấn đề như kiểm soát kích thước hạt, độ tinh khiết và khả năng tương tác với các tế bào sinh học là những yếu tố quan trọng cần được giải quyết. Ngoài ra, chi phí sản xuất và khả năng sản xuất hàng loạt cũng là những thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu.

2.1. Vấn đề kiểm soát kích thước và hình dạng

Kích thước và hình dạng của nano vàng ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất quang học và khả năng tương tác với tế bào. Việc kiểm soát chính xác các yếu tố này là một thách thức lớn trong nghiên cứu.

2.2. Chi phí sản xuất và khả năng sản xuất hàng loạt

Chi phí sản xuất nano vàng vẫn còn cao, điều này hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi trong y sinh. Cần có các phương pháp sản xuất hiệu quả hơn để giảm chi phí và tăng khả năng sản xuất hàng loạt.

III. Phương pháp chế tạo nano vàng hiệu quả

Có nhiều phương pháp chế tạo nano vàng, mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Phương pháp hóa học là phổ biến nhất, nhưng phương pháp sinh học và điện hóa đang được nghiên cứu để cải thiện tính thân thiện với môi trường và hiệu quả sản xuất. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ quyết định chất lượng và tính ứng dụng của nano vàng trong y sinh.

3.1. Phương pháp hóa học

Phương pháp hóa học thường sử dụng các hóa chất để khử muối vàng thành nano vàng. Mặc dù hiệu quả, nhưng phương pháp này có thể tạo ra các chất thải độc hại.

3.2. Phương pháp sinh học

Phương pháp sinh học sử dụng các chiết xuất từ thực vật hoặc vi khuẩn để tạo ra nano vàng. Đây là phương pháp thân thiện với môi trường, nhưng khó khăn trong việc kiểm soát kích thước và số lượng hạt.

3.3. Phương pháp điện hóa

Phương pháp điện hóa cho phép kiểm soát tốt hơn kích thước và độ tinh khiết của nano vàng. Đây là một trong những phương pháp hứa hẹn nhất cho tương lai.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nano vàng trong y sinh

Ứng dụng của nano vàng trong y sinh rất đa dạng, từ chẩn đoán đến điều trị. Nano vàng có thể được sử dụng để phát hiện các bệnh truyền nhiễm, hỗ trợ trong liệu pháp điều trị ung thư và cải thiện hiệu quả của thuốc. Nghiên cứu cho thấy rằng nano vàng có thể giúp tăng cường khả năng nhắm mục tiêu của thuốc đến các tế bào bệnh lý.

4.1. Chẩn đoán bệnh

Sử dụng nano vàng trong các xét nghiệm chẩn đoán giúp tăng độ nhạy và độ chính xác, từ đó phát hiện sớm các bệnh lý.

4.2. Điều trị ung thư

Trong điều trị ung thư, nano vàng có thể được sử dụng để nhắm mục tiêu và tiêu diệt tế bào ung thư mà không làm tổn thương các tế bào khỏe mạnh.

4.3. Hỗ trợ trong liệu pháp thuốc

Việc sử dụng nano vàng trong việc vận chuyển thuốc giúp cải thiện khả năng hấp thụ và hiệu quả điều trị, giảm thiểu tác dụng phụ.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nano vàng trong y sinh

Nghiên cứu và ứng dụng nano vàng trong y sinh đang trên đà phát triển mạnh mẽ. Với những tính chất độc đáo và khả năng tương tác với tế bào sinh học, nano vàng hứa hẹn sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để giải quyết các thách thức hiện tại và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

5.1. Tương lai của nghiên cứu nano vàng

Nghiên cứu về nano vàng sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều ứng dụng mới trong y sinh và các lĩnh vực khác.

5.2. Định hướng phát triển công nghệ nano

Cần có các chính sách hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ nano, nhằm thúc đẩy ứng dụng trong thực tiễn và cải thiện sức khỏe cộng đồng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thị trường công nghệ nano toàn cầu ghi nhận tốc độ tăng trưởng ổn định khoảng 25% mỗi năm, đạt quy mô doanh thu thương mại hơn 30,4 tỷ USD. Trong các loại vật liệu cấu trúc nano, hạt nano vàng sở hữu những đặc tính quang học, điện từ và nhiệt động học vượt trội nhờ hiệu ứng bề mặt và kích thước giam hãm lượng tử. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất đối với việc ứng dụng nano vàng trong y sinh hiện nay nằm ở chi phí nguyên liệu và độ sạch của sản phẩm. Các chế phẩm thương mại thường có giá thành rất cao, ví dụ 100 mL dung dịch nano vàng kích thước 10 nm với mật độ khoảng 6 x 10^12 hạt/mL có giá lên đến 400 đô la Singapore. Đồng thời, phương pháp khử hóa học truyền thống sử dụng muối tiền chất HAuCl4 thường để lại dư lượng hóa chất khử độc hại và ion kim loại khó tách bỏ hoàn toàn, gây ảnh hưởng trực tiếp đến độ an toàn sinh học.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Quang học với đề tài nghiên cứu về quy trình chế tạo và khảo sát tính chất quang của nano vàng đã giải quyết triệt để bài toán này. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng thành công quy trình điện hóa một bước để chế tạo hạt nano vàng có kích thước dưới 20 nm trực tiếp từ thanh vàng khối có độ tinh khiết 99,99% trong môi trường nước cất hai lần, được bảo vệ bằng chất hoạt hóa an toàn natri citrate. Đề tài được thực hiện trong năm 2018 thông qua sự phối hợp nghiên cứu giữa Trường Đại học Khoa học thuộc Đại học Thái Nguyên và Phòng thí nghiệm Siêu cấu trúc tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi tạo ra nguồn cung cấp nano vàng sạch, không chứa tạp chất hóa học độc hại, giúp tiết kiệm từ 70% đến 80% chi phí sản xuất và mở ra hướng ứng dụng tin cậy trong chẩn đoán y sinh, đặc biệt là đánh dấu vi khuẩn gây bệnh đường ruột.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết quang học phi tuyến và vật lý chất rắn ở kích thước nanomet. Cơ sở quan trọng nhất là lý thuyết cộng hưởng plasmon bề mặt, mô tả hiện tượng dao động tập thể của các electron tự do trong vùng dẫn của kim loại quý khi tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi kích thước hạt vàng giảm xuống dưới quãng đường tự do trung bình của điện tử, dao động plasmon không bị dập tắt bởi các sai hỏng mạng mà tạo nên các dải hấp thụ quang học đặc trưng trong vùng ánh sáng khả kiến từ 520 nm đến 540 nm.

Bên cạnh đó, nghiên cứu áp dụng lý thuyết cấu trúc tinh thể kim loại lập phương tâm mặt với hằng số mạng a = 4,0786 Å và hiệu ứng giam hãm lượng tử. Khi kích thước hạt nano kim loại giảm xuống dưới 10 nm, nhiệt độ nóng chảy của vật liệu giảm mạnh từ 1.063,4°C ở dạng khối xuống còn 500°C đối với hạt 2 nm và 950°C đối với hạt 6 nm. Về mặt hóa lý, quá trình điện phân tạo hạt dựa trên nguyên lý hòa tan anốt và khử ion tại catốt, kết hợp với cơ chế hình thành liên kết phối giải giữa bề mặt hạt vàng tích điện âm và các phân tử sinh học như kháng thể đa dòng thông qua lực tương tác tĩnh điện và liên kết hấp phụ vật lý.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quy trình điện hóa sử dụng hai điện cực vàng có độ tinh khiết 99,99% với kích thước 70 mm x 5 mm x 0,2 mm, đặt cách nhau 2 cm và nhúng ngập sâu 50 mm trong 50 mL nước cất hai lần. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hơn 20 mẻ thực nghiệm được phân bố theo phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát thông số. Ma trận thực nghiệm khảo sát có hệ thống các biến số: hiệu điện thế một chiều thay đổi từ 6V đến 15V với bước nhảy 3V, nồng độ chất hoạt hóa natri citrate từ 0,08% đến 0,12% và thời gian điện phân từ 1 giờ đến 3 giờ.

Các phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn nhằm cung cấp bằng chứng toàn diện về cấu trúc và tính chất:

• Quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến quét trong dải bước sóng 180 nm đến 1100 nm để xác định đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt.
• Kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao 0,1 nm đến 0,3 nm và hiển vi điện tử quét phát xạ trường tại điện thế gia tốc 15 kV nhằm xác định chính xác hình thái học và kích thước hạt.
• Phổ tán xạ năng lượng tia X và nhiễu xạ tia X góc quét 2 theta từ 30° đến 80° nhằm kiểm tra độ sạch nguyên tố và cấu trúc mạng tinh thể.
• Phép đo thế Zeta dựa trên tán xạ ánh sáng động học để đánh giá độ ổn định phân tán của hệ keo vàng sau 6 tháng bảo quản ở 4°C.
• Kỹ thuật miễn dịch hiển vi điện tử để đánh giá khả năng đánh dấu sinh học trên vi khuẩn Escherichia coli O157 ở nồng độ 10^6 cfu/mL.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu thực nghiệm đã ghi nhận nhiều phát hiện khoa học quan trọng về cơ chế hình thành và đặc tính của hệ hạt nano vàng điện hóa:

Thứ nhất, phản ứng quang học thể hiện rõ rệt qua sự chuyển màu của dung dịch từ không màu sang hồng nhạt và ổn định ở màu đỏ tím khi tăng điện áp từ 6V đến 15V. Kết quả đo phổ hấp thụ cho thấy các mẫu đều xuất hiện một đỉnh hấp thụ duy nhất và đối xứng trong dải bước sóng từ 528 nm đến 532 nm. Cụ thể, mẫu chế tạo tại 6V đạt đỉnh tại 528 nm, mẫu 9V đạt đỉnh tại 529 nm, mẫu 12V tại 531 nm và mẫu 15V tại 532 nm. Cường độ đỉnh hấp thụ tăng dần theo thời gian phản ứng từ 1 giờ đến 2 giờ. Sau 3 giờ chế tạo, đỉnh phổ bị dịch chuyển đỏ khoảng 9 nm về phía bước sóng dài, biểu hiện của sự tăng kích thước hạt.

Thứ hai, quan sát hình thái học dưới kính hiển vi điện tử truyền qua xác nhận các hạt nano vàng tạo thành có dạng hình cầu đồng nhất với kích thước trung bình hoàn toàn nằm dưới 20 nm. Ở mức điện thế 6V, kích thước hạt đạt từ 10 nm đến 13 nm; ở mức 9V và 12V, kích thước hạt tập trung trong dải hẹp từ 12 nm đến 15 nm với độ phân tán rất thấp; ở mức 15V, kích thước hạt dao động từ 12 nm đến 18 nm. Ảnh hiển vi điện tử quét cũng ghi nhận kích thước hạt đồng đều trong khoảng 15 nm đến 20 nm và các biên hạt phân tách rõ ràng, không xuất hiện hiện tượng vón tụ.

Thứ ba, phân tích thành phần nguyên tố bằng phổ tia X ghi nhận đỉnh năng lượng cao nhất tại 2,2 keV thuộc lớp M đặc trưng của vàng nguyên chất, cùng các tín hiệu phụ tại 0,2 keV của Cacbon và 0,56 keV của Oxy bắt nguồn từ lớp vỏ bọc natri citrate, khẳng định sản phẩm không chứa bất kỳ kim loại nặng hay hóa chất lạ. Giản đồ nhiễu xạ tia X ghi nhận ba đỉnh phản xạ tại các góc 2 theta bằng 38,1°, 44,2° và 64,6°, tương ứng chính xác với các mặt mạng tinh thể (111), (200) và (220) của cấu trúc vàng lập phương tâm mặt.

Thứ tư, dung dịch nano vàng chế tạo ở điều kiện tối ưu 9V trong thời gian 2 giờ với nồng độ natri citrate 0,1% thể hiện độ bền phân tán vượt trội, duy trì trạng thái keo ổn định sau 6 tháng lưu giữ ở nhiệt độ 4°C. Thử nghiệm gắn kháng thể thỏ đa dòng kháng vi khuẩn Escherichia coli O157 đạt hiệu suất liên kết cao, cho phép nhận diện và định vị chính xác vị trí kháng nguyên trên bề mặt tế bào vi khuẩn ở nồng độ 10^6 cfu/mL dưới kính hiển vi điện tử truyền qua.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo hạt được giải thích thông qua sự tương tác điện hóa kép: dưới tác dụng của điện trường dòng một chiều, các nguyên tử vàng tại anốt bị oxy hóa thành ion Au3+, di chuyển về phía catốt nhận electron để tái tạo nguyên tử vàng tự do. Đồng thời, lực khuấy cơ học kết hợp với khả năng khử nhẹ của các phân tử natri citrate trong dung dịch giúp bứt các cụm nguyên tử ra khỏi bề mặt điện cực, ngăn cản sự bám dính trở lại và tạo mầm tinh thể trong pha lỏng. Các phân tử citrate đóng vai trò kép vừa là chất khử phụ trợ vừa là tác nhân bao bọc tĩnh điện giúp các hạt nano giữ được thế bề mặt âm và phân tán độc lập.

Các dữ liệu thực nghiệm có thể được tổng hợp trực quan thông qua bảng đối sánh quang phổ và biểu đồ phân bố kích thước hạt:

Điện áp chế tạo (V)	Nồng độ Citrate (%)	Bước sóng hấp thụ cực đại (nm)	Kích thước hạt TEM (nm)	Độ đồng đều hình thái
6V	0,10%	528 nm	10 - 13 nm	Hình cầu, phân tán tốt
9V	0,10%	529 nm	12 - 15 nm	Hình cầu chuẩn, đồng nhất cao
12V	0,10%	531 nm	12 - 15 nm	Hình cầu, xuất hiện cụm nhỏ
15V	0,10%	532 nm	12 - 18 nm	Đa dạng, dải kích thước rộng

So sánh với phương pháp khử hóa học cổ điển của Turkevich có kích thước hạt phân bố rộng từ 20 nm đến 50 nm và tồn dư nhiều ion Cl-, phương pháp điện hóa trong nghiên cứu này tạo ra dải kích thước hạt hẹp hơn 30% và đảm bảo độ tinh khiết hóa học đạt mức 100%. So với phương pháp bốc bay laser đắt đỏ, phương pháp điện hóa giảm hơn 85% chi phí đầu tư thiết bị mà vẫn kiểm soát chính xác kích thước hạt trong dải 12 nm đến 15 nm, tạo điều kiện thuận lợi tối đa cho quá trình gắn kết kháng thể chẩn đoán.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm, luận văn đề xuất bốn nhóm giải pháp hành động cụ thể nhằm đưa quy trình công nghệ vào sản xuất và ứng dụng thực tiễn:

• Chuẩn hóa và mở rộng quy mô hệ thống điện hóa tự động: Nâng cấp thể tích buồng phản ứng từ quy mô phòng thí nghiệm 50 mL lên quy mô bán công nghiệp 5 lít đến 10 lít mỗi mẻ, tích hợp cảm biến kiểm soát dòng điện tự động nhằm duy trì hiệu suất thu hồi hạt nano vàng đạt trên 95% với dải kích thước cố định 12 nm đến 15 nm. Kế hoạch triển khai trong vòng 6 đến 12 tháng, chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm trọng điểm và viện nghiên cứu vật liệu.
• Phát triển kít thử sắc ký miễn dịch nhanh phát hiện mầm bệnh: Ứng dụng phức hợp nano vàng gắn kháng thể để chế tạo que thử dòng chảy bên nhằm phát hiện nhanh vi khuẩn Escherichia coli O157 và Salmonella trong mẫu thực phẩm và nước sinh hoạt, hướng tới giới hạn phát hiện đạt dưới 10^2 cfu/mL với thời gian chẩn đoán rút ngắn dưới 15 phút. Thời gian thực hiện từ 12 đến 18 tháng, chủ thể là các trung tâm kiểm nghiệm an toàn vệ sinh dịch tễ và doanh nghiệp công nghệ sinh học.
• Mở rộng kỹ thuật chức năng hóa bề mặt với các phối tử sinh học hướng đích: Nghiên cứu gắn kết hạt nano vàng với kháng thể đơn dòng, aptamer hoặc chuỗi peptide đặc hiệu nhằm nâng cao hiệu suất gắn kết tế bào ung thư đích đạt trên 90%, phục vụ điều trị quang nhiệt và dẫn truyền thuốc. Lộ trình thực hiện trong 18 đến 24 tháng, do các nhóm nghiên cứu y dược học phân tử chủ trì.
• Xây dựng quy chuẩn kiểm định độc tính tế bào và an toàn sinh học: Thiết lập bộ tiêu chuẩn cơ sở đánh giá độ an toàn in vitro và in vivo của dung dịch nano vàng điện hóa theo tiêu chuẩn ISO 10993, đảm bảo tỷ lệ sống của tế bào lành đạt trên 98% khi tiếp xúc với nồng độ hạt khảo sát. Thời gian hoàn thành trong 12 tháng, thực hiện bởi các cơ quan kiểm định chất lượng y tế và dược phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn là tài liệu tham khảo có giá trị cao cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

• Các nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Vật lý, Quang học, Hóa lý và Công nghệ Nano: Cung cấp tài liệu tham khảo chuyên sâu về cơ chế cộng hưởng plasmon bề mặt, kỹ thuật điện hóa một bước từ kim loại khối và phương pháp phân tích phổ nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử quét và truyền qua.
• Các kỹ sư R&D tại các doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế và sinh phẩm chẩn đoán: Ứng dụng quy trình chế tạo hạt nano vàng siêu sạch có kích thước 12 nm đến 15 nm để phát triển que thử nhanh sắc ký miễn dịch, cảm biến sinh học quang học và các hệ thống xét nghiệm tại chỗ.
• Cán bộ kỹ thuật và chuyên gia tại các trung tâm y tế dự phòng và kiểm nghiệm thực phẩm: Tham khảo quy trình chức năng hóa kháng thể và kỹ thuật miễn dịch hiển vi điện tử để nâng cao độ chính xác trong công tác giám sát, phát hiện các chủng vi khuẩn gây bệnh đường ruột như Escherichia coli O157.
• Doanh nghiệp sản xuất dược phẩm và vật liệu y sinh: Khai thác giải pháp công nghệ xanh, thân thiện môi trường để chủ động nguồn nguyên liệu nano vàng tinh khiết với giá thành thấp, phục vụ các nghiên cứu dẫn thuốc và tiêu diệt tế bào ung thư.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp điện hóa chế tạo nano vàng có ưu điểm gì vượt trội so với phương pháp hóa học truyền thống? Phương pháp điện hóa sử dụng trực tiếp thanh vàng tinh khiết 99,99% trong nước cất hai lần với chất bảo vệ natri citrate nồng độ thấp 0,1%, loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng muối độc HAuCl4 hay chất khử mạnh như NaBH4. Nhờ đó, sản phẩm đạt độ sạch tuyệt đối, không chứa tạp chất hóa học tồn dư và có chi phí sản xuất thấp hơn khoảng 70% so với việc mua keo vàng thương mại.

Thông số công nghệ nào quyết định đến kích thước và độ đồng đều của hạt nano vàng? Hiệu điện thế và thời gian điện phân là hai yếu tố then chốt chi phối kích thước hạt. Ở mức điện áp 9V trong thời gian 2 giờ với nồng độ natri citrate 0,1%, hạt tạo thành có dạng hình cầu đồng nhất với dải kích thước hẹp từ 12 nm đến 15 nm. Khi tăng điện áp lên 15V hoặc kéo dài thời gian đến 3 giờ, kích thước hạt tăng lên khoảng 20 nm và xuất hiện các dạng hình đa giác.

Làm thế nào để xác định hạt nano vàng đã được hình thành thành công trong dung dịch? Sự hình thành hạt nano vàng được xác nhận sơ bộ qua sự đổi màu của dung dịch sang đỏ tím do hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt. Kết quả kiểm tra bằng quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến ghi nhận một đỉnh hấp thụ hẹp tại bước sóng 529 nm, và ảnh hiển vi điện tử truyền qua khẳng định hình thái hạt dạng cầu với kích thước dưới 20 nm.

Độ bền và tính ổn định của dung dịch keo nano vàng điện hóa duy trì được trong bao lâu? Nhờ lớp vỏ bảo vệ tĩnh điện từ các ion natri citrate, dung dịch nano vàng chế tạo ở điều kiện tối ưu 9V sau 2 giờ có độ ổn định rất cao. Kết quả phân tích phổ hấp thụ và ảnh hiển vi điện tử truyền qua cho thấy dung dịch bảo quản ở nhiệt độ 4°C trong 6 tháng không bị lắng cặn hay kết tụ, hình thái hạt giữ nguyên dạng hình cầu phân tán rời rạc.

Phức hợp nano vàng gắn kháng thể phát hiện vi khuẩn Escherichia coli O157 theo nguyên lý nào? Hạt nano vàng tích điện âm liên kết vật lý bền vững với kháng thể đa dòng thỏ qua tương tác tĩnh điện và hấp phụ phân tử. Khi đưa phức hợp này vào mẫu chứa vi khuẩn Escherichia coli O157 ở nồng độ 10^6 cfu/mL, kháng thể sẽ nhận diện và gắn đặc hiệu lên kháng nguyên bề mặt vi khuẩn, giúp hiển thị rõ vị trí vi khuẩn dưới kính hiển vi điện tử truyền qua nhờ mật độ điện tử cao của hạt vàng.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu với những đóng góp học thuật và thực tiễn nổi bật:

• Làm chủ quy trình công nghệ xanh một bước chế tạo thành công hạt nano vàng có kích thước dưới 20 nm từ thanh vàng khối 99,99% bằng phương pháp điện hóa.
• Xác định bộ thông số tối ưu gồm điện áp một chiều 9V, nồng độ natri citrate 0,1% và thời gian phản ứng 2 giờ để thu được hạt nano vàng hình cầu đồng đều trong dải 12 nm đến 15 nm.
• Chứng minh tính chất quang học plasmon bề mặt đặc trưng với đỉnh hấp thụ sắc nét tại bước sóng 529 nm và độ ổn định phân tán bền vững trong suốt 6 tháng bảo quản ở 4°C.
• Khẳng định độ tinh khiết tuyệt đối của sản phẩm qua các phép phân tích nhiễu xạ tia X và phổ tán xạ năng lượng tia X mà không chứa bất kỳ tạp chất độc hại nào.
• Thử nghiệm thành công kỹ thuật chức năng hóa bề mặt hạt với kháng thể đa dòng để đánh dấu và nhận diện đặc hiệu vi khuẩn gây bệnh đường ruột Escherichia coli O157 ở nồng độ 10^6 cfu/mL.

Nghiên cứu mở ra hướng đi đầy tiềm năng trong việc tự chủ nguồn vật liệu nano kim loại quý chất lượng cao tại Việt Nam. Trong lộ trình 12 đến 24 tháng tới, việc tiếp tục mở rộng quy mô phản ứng bán công nghiệp và tối ưu hóa quy trình chế tạo que thử chẩn đoán nhanh sẽ mang lại giá trị kinh tế và bảo vệ sức khỏe cộng đồng to lớn. Quý độc giả, các nhà khoa học và doanh nghiệp quan tâm có thể tiếp cận toàn văn công trình nghiên cứu để cùng hợp tác phát triển và chuyển giao công nghệ vào thực tiễn y sinh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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]. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

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].

10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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]. 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Mô hình bắn phá laser để tạo ra nano vàng [5] 1. Phương pháp điện hóa.

Năm 2006, nhóm nghiên cứu của Huang và cộng sự [6] đã chế tạo thành công nano vàng với kích thước ~40nm bằng phương pháp điện hóa. Phương pháp này sử dụng một điện cực vàng (anot), một điện cực platine (catot) và 0,08M muối CTAB. Trong quá trình điện phân, vàng bị oxi hóa ở anot và dịch chyển về phía catot nơi xảy ra sự khử và sự hình thành các nguyên tử vàng. Quá trình được thực hiện trong điều kiện rung siêu âm để kiềm chế sự bám lại của các nguyên tử vàng lên catot.

Các nguyên tử vàng được chất hoạt động bề mặt trong dung dịch (muối CTA) bao bọc và hình thành các hạt nano vàng. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Mô hình chế tạo nano vàng bằng phương pháp điện hóa [6] Ngoài ra, một số phương pháp chế tạo nano vàng khác cũng liên tục được các nhà khoa học trên thế giới công bố [35]. Tuy nhiên, sau khi nano vàng được chế tạo, chúng cần được chức năng hóa với các phần tử sinh học để hướng tới mục đích ứng dụng cụ thể [36].

Lý do lựa chọn chế tạo nano vàng bằng phương pháp pháp điện hóa. Trong những năm gần đây, nhóm nghiên cứu của TS.