Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, hạt nano vàng (AuNPs) đã thu hút sự quan tâm lớn của cộng đồng khoa học nhờ các tính chất đặc biệt như không độc hại, khả năng tương tác sinh học cao, tính chất quang học và hiệu ứng plasmon bề mặt (SPR). Theo báo cáo của ngành, kích thước và hình dạng của AuNPs ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất và ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực như xúc tác, y học, điện tử và cảm biến sinh học. Đặc biệt, hạt nano vàng hình sao (AuNSs) với cấu trúc bất đối xứng có khả năng tăng cường điện từ trường tại các nhánh, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác và độ nhạy trong cảm biến sinh học, gấp khoảng 10 lần so với hạt nano vàng hình cầu.

Tuy nhiên, hầu hết các phương pháp tổng hợp AuNSs hiện nay đều sử dụng các dung môi và tác nhân khử độc hại, gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và giới hạn khả năng ứng dụng. Ở Việt Nam, nghiên cứu về AuNPs chủ yếu tập trung vào các hình dạng cầu và thanh, chưa có nhiều công trình về AuNSs. Do đó, luận văn này tập trung phát triển quy trình tổng hợp AuNSs thân thiện môi trường, sử dụng các hóa chất không độc hại như axit ascorbic và loại bỏ chất hoạt động bề mặt độc hại.

Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 7/2014 đến tháng 5/2015 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM, với mục tiêu tổng hợp AuNSs trên nền polymer polydimethylsiloxane (PDMS) và khảo sát các tính chất vật liệu nhằm ứng dụng trong cảm biến sinh học. PDMS được lựa chọn do có độ trong suốt cao, khả năng tương thích sinh học tốt, độ bền nhiệt và oxi hóa, cùng chi phí thấp. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng kiến thức về vật liệu nano vàng hình sao và phát triển vật liệu composite AuNSs-PDMS có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị cảm biến sinh học hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR): Là hiện tượng dao động tập thể của các điện tử tự do trên bề mặt kim loại nano khi tương tác với ánh sáng, tạo nên các đỉnh hấp thụ đặc trưng trong phổ UV-Vis. SPR phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và môi trường xung quanh của hạt nano, ảnh hưởng đến tính chất quang học và cảm biến.

  • Mô hình phát triển bất đối xứng của hạt nano vàng: Sự phát triển các nhánh hình sao của AuNSs được điều khiển bởi các yếu tố như tỉ lệ mol ion halogenua (Cl⁻), tỉ lệ mol axit ascorbic (AA) và ion vàng (Au³⁺). Ion Cl⁻ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo hình sao, còn AA điều chỉnh tốc độ khử và sự phát triển nhánh.

  • Tính chất vật liệu polydimethylsiloxane (PDMS): PDMS là polymer silicon có công thức hóa học (CH₃)₃SiO[Si(CH₃)₂O]ₙSi(CH₃)₃, nổi bật với độ trong suốt cao trong vùng UV-Vis, khả năng tương thích sinh học, độ bền nhiệt và oxi hóa, cùng tính đàn hồi và độ dẫn điện thấp. PDMS được sử dụng làm nền cho việc phủ và phân tán AuNSs nhằm tạo vật liệu composite có tính chất ưu việt cho cảm biến sinh học.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các hóa chất chuẩn, bao gồm muối vàng HAuCl₄, axit ascorbic (AA), natri clorua (NaCl), và polymer PDMS. Các mẫu AuNSs được tổng hợp trong phòng thí nghiệm Viện Vật Lý TP.HCM.

  • Phương pháp tổng hợp: Áp dụng phương pháp không mầm (seedless) để tổng hợp AuNSs, với hai quy trình khác nhau nhằm khảo sát ảnh hưởng của natri citrat. Quy trình không sử dụng natri citrat được chọn do tạo ra AuNSs có đỉnh hấp thụ cực đại ở bước sóng dài hơn, phổ EDX ít tạp chất và độ nhạy cao hơn.

  • Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ mol: Thí nghiệm thay đổi tỉ lệ mol Cl⁻/Au³⁺ và AA/Au³⁺ để nghiên cứu sự phát triển bất đối xứng của AuNSs, từ đó đề xuất cơ chế hình thành nhánh.

  • Phủ AuNSs lên nền PDMS: Hạt nano vàng hình sao được phân tán và phủ lên nền PDMS, khảo sát sự kết tụ và phân tán theo thời gian để xác định thời gian phủ hoàn toàn (khoảng 2 giờ).

  • Phân tích và đánh giá: Sử dụng các kỹ thuật phân tích hiện đại như phổ UV-Vis, phổ hồng ngoại (IR), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) và phổ Raman để đánh giá kích thước, hình dạng, độ phân tán, tính chất quang học và hóa học của vật liệu composite AuNSs-PDMS.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành từ tháng 7/2014 đến tháng 5/2015, bao gồm các giai đoạn tổng hợp, khảo sát ảnh hưởng các yếu tố, phủ vật liệu và đánh giá tính chất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của natri citrat trong tổng hợp AuNSs: Khi không sử dụng natri citrat, AuNSs có đỉnh hấp thụ cực đại dịch chuyển về bước sóng dài hơn (khoảng 700 nm so với 650 nm khi có citrat), phổ EDX cho thấy ít tạp chất hơn, và độ nhạy cảm biến tăng khoảng 15%. Điều này cho thấy quy trình không sử dụng natri citrat tạo ra sản phẩm chất lượng cao hơn.

  2. Tỉ lệ mol Cl⁻/Au³⁺ ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước: Khi tỉ lệ mol Cl⁻/Au³⁺ tăng từ 0,1 đến 0,5, kích thước trung bình của AuNSs tăng từ khoảng 40 nm lên 60 nm, đồng thời độ dài nhánh cũng tăng 25%. Đỉnh hấp thụ UV-Vis dịch chuyển từ 680 nm lên 720 nm, cho thấy sự phát triển bất đối xứng rõ rệt.

  3. Ảnh hưởng tỉ lệ mol AA/Au³⁺: Tỉ lệ mol AA/Au³⁺ từ 0,5 đến 2,0 làm tăng kích thước hạt và độ dài nhánh, với kích thước trung bình tăng từ 45 nm lên 65 nm. Độ hấp thụ cực đại tăng 20%, cho thấy sự tăng trưởng nhánh mạnh mẽ hơn khi tăng lượng chất khử.

  4. Phủ AuNSs lên nền PDMS: Qua khảo sát SEM và TEM, sau 2 giờ phủ, AuNSs phân tán đều trên nền PDMS, không có hiện tượng kết tụ lớn. Phổ UV-Vis và IR cho thấy sự tương tác bền vững giữa AuNSs và PDMS. Độ truyền qua của vật liệu composite đạt trên 85% trong vùng 400-800 nm, phù hợp cho ứng dụng cảm biến quang học.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp không sử dụng natri citrat giúp giảm tạp chất và tăng độ nhạy của AuNSs, phù hợp với mục tiêu thân thiện môi trường. Sự điều chỉnh tỉ lệ mol Cl⁻/Au³⁺ và AA/Au³⁺ ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển bất đối xứng của hạt nano, tương tự như các nghiên cứu quốc tế đã công bố, nhưng lần đầu tiên được khảo sát chi tiết trong điều kiện tổng hợp thân thiện môi trường tại Việt Nam.

Việc phủ AuNSs lên nền PDMS thành công với thời gian khoảng 2 giờ và phân tán đều cho thấy khả năng tạo vật liệu composite ổn định, có tính chất quang học và hóa học phù hợp cho cảm biến sinh học. Độ truyền qua cao và khả năng tương thích với nhiều dung môi khác nhau mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị cảm biến sinh học hiện đại.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phổ UV-Vis thể hiện sự dịch chuyển đỉnh hấp thụ theo tỉ lệ mol, biểu đồ phân bố kích thước hạt từ SEM/TEM, và bảng so sánh độ truyền qua của vật liệu composite với các độ dày khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp AuNSs: Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu điều chỉnh tỉ lệ mol Cl⁻/Au³⁺ và AA/Au³⁺ để kiểm soát chính xác kích thước và hình dạng hạt, nhằm nâng cao độ nhạy và ổn định của vật liệu. Thời gian thực hiện dự kiến 6 tháng, do nhóm nghiên cứu hóa học thực hiện.

  2. Phát triển vật liệu composite AuNSs-PDMS đa chức năng: Đề xuất khảo sát thêm các phương pháp phủ và xử lý bề mặt PDMS để tăng cường độ bền cơ học và khả năng tương tác sinh học. Mục tiêu nâng cao độ bền và độ nhạy của cảm biến, thực hiện trong 1 năm, phối hợp giữa phòng thí nghiệm vật liệu và kỹ thuật hóa học.

  3. Ứng dụng trong cảm biến sinh học: Khuyến nghị thử nghiệm vật liệu composite trong các thiết bị cảm biến sinh học thực tế, như cảm biến sinh học SPR hoặc QCM, nhằm đánh giá hiệu suất và độ ổn định trong môi trường sinh học. Thời gian thực hiện 1 năm, phối hợp với các trung tâm nghiên cứu y sinh.

  4. Nghiên cứu tác động môi trường và an toàn: Đề xuất đánh giá toàn diện về tính thân thiện môi trường và an toàn khi sử dụng vật liệu AuNSs-PDMS trong các ứng dụng y tế và công nghiệp. Thời gian thực hiện 6 tháng, phối hợp với các chuyên gia môi trường và an toàn hóa chất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về quy trình tổng hợp AuNSs thân thiện môi trường, ảnh hưởng các yếu tố đến hình dạng và tính chất hạt, phù hợp để phát triển các vật liệu nano mới.

  2. Chuyên gia kỹ thuật hóa học: Thông tin về phương pháp tổng hợp không mầm, sử dụng axit ascorbic và kiểm soát tỉ lệ mol giúp cải tiến quy trình sản xuất vật liệu nano an toàn và hiệu quả.

  3. Nhà phát triển thiết bị cảm biến sinh học: Vật liệu composite AuNSs-PDMS với tính chất quang học và sinh học ưu việt là nguồn tham khảo quan trọng để thiết kế các cảm biến sinh học có độ nhạy cao và ổn định.

  4. Chuyên gia môi trường và an toàn hóa chất: Nghiên cứu về quy trình tổng hợp thân thiện môi trường và đánh giá tính an toàn của vật liệu nano vàng giúp định hướng phát triển công nghệ xanh trong lĩnh vực vật liệu nano.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn phương pháp không mầm để tổng hợp AuNSs?
    Phương pháp không mầm đơn giản, nhanh chóng (dưới 10 phút), không cần giai đoạn lọc rửa phức tạp và sử dụng các hóa chất ít độc hại, giúp giảm thiểu tác động môi trường so với phương pháp có mầm truyền thống.

  2. Ảnh hưởng của ion Cl⁻ trong quá trình tổng hợp là gì?
    Ion Cl⁻ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo hình sao cho hạt nano vàng, thúc đẩy sự phát triển bất đối xứng của các nhánh, từ đó ảnh hưởng đến kích thước và tính chất quang học của AuNSs.

  3. Tại sao sử dụng PDMS làm nền cho AuNSs?
    PDMS có độ trong suốt cao trong vùng UV-Vis, khả năng tương thích sinh học tốt, độ bền nhiệt và oxi hóa, cùng chi phí thấp, rất phù hợp làm nền cho vật liệu cảm biến sinh học.

  4. Thời gian phủ AuNSs lên PDMS là bao lâu để đạt hiệu quả tối ưu?
    Nghiên cứu cho thấy sau khoảng 2 giờ, AuNSs được phủ hoàn toàn và phân tán đều trên nền PDMS, đảm bảo tính chất quang học và hóa học ổn định cho vật liệu composite.

  5. Vật liệu AuNSs-PDMS có thể ứng dụng trong những loại cảm biến nào?
    Vật liệu này phù hợp cho các cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng SPR, cảm biến vi cân tinh thể thạch anh (QCM), và các thiết bị cảm biến quang học khác nhờ độ nhạy cao, độ truyền qua tốt và khả năng tương thích sinh học.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công quy trình tổng hợp hạt nano vàng hình sao (AuNSs) thân thiện môi trường, không sử dụng natri citrat, với đỉnh hấp thụ cực đại dịch chuyển về bước sóng dài hơn và độ nhạy cao hơn.

  • Khảo sát chi tiết ảnh hưởng của tỉ lệ mol ion Cl⁻/Au³⁺ và axit ascorbic/Au³⁺ đến kích thước, hình dạng và tính chất quang học của AuNSs, từ đó đề xuất cơ chế phát triển bất đối xứng.

  • Phủ AuNSs lên nền polymer polydimethylsiloxane (PDMS) thành công, với thời gian phủ hoàn toàn khoảng 2 giờ, tạo vật liệu composite có độ truyền qua cao và phân tán đều.

  • Vật liệu composite AuNSs-PDMS có tiềm năng ứng dụng trong cảm biến sinh học nhờ độ nhạy cao, khả năng tương thích sinh học và tính ổn định trong nhiều môi trường dung môi.

  • Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm tối ưu hóa quy trình tổng hợp, phát triển vật liệu composite đa chức năng và ứng dụng trong các thiết bị cảm biến sinh học thực tế.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu nano và cảm biến sinh học áp dụng quy trình và vật liệu này để phát triển các sản phẩm công nghệ cao, thân thiện môi trường và hiệu quả kinh tế.