1

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN VẬT LÝ

ĐỖ THỊ HUẾ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC

CẤU TRÚC NANO VÀNG DẠNG CẦU, DẠNG THANH VÀ DẠNG LÕI/VỎ

SILICA/VÀNG ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội – 2018

i

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN VẬT LÝ

ĐỖ THỊ HUẾ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC

CẤU TRÚC NANO VÀNG DẠNG CẦU, DẠNG THANH VÀ DẠNG LÕI/VỎ

SILICA/VÀNG ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

Mã số chuyên ngành: 944 01 04

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

1. TS. Nghiêm Thị Hà Liên

2. PGS.TS. Trần Hồng Nhung

Hà Nội – 2018

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu chế tạo, tính chất quang của

các hạt nanô vàng và cấu trúc nanô lõi /vỏ silica/vàng ứng dụng trong hiện ảnh

tế bào” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và tài liệu trong luận án

là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Tất cả

những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ.

Nghiên cứu sinh

Đỗ Thị Huế

iii

LỜI CẢM ƠN

Luận án này đã được hoàn thành tại phòng thí nghiệm của nhóm

NanoBioPhotonics của Viện Vật lý thuộc viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

dưới sự hướng dẫn của TS.Nghiêm Thị Hà Liên và PGS.TS. Trần Hồng Nhung.

Để có thể hoàn thành đƣợc luận án này, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng, và lòng

biết ơn chân thành, sâu sắc tới TS.Nghiêm Thị Hà Liên và PGS. TS. Trần Hồng

Nhung, những ngƣời thầy luôn tận tụy hết lòng hƣớng dẫn tôi, tạo mọi điều kiện

giúp đỡ trong thời gian tôi học tập và nghiên cứu ở Viện Vật Lý.

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS Vũ Dƣơng, PGS. TS Đỗ Quang Hòa, TS. Nguyễn

Trọng Nghĩa cùng các anh chị em thuộc nhóm NanoBioPhotonics và thuộc trung tâm

Điện tử Lƣợng tử - Viện Vật Lý đã giúp đỡ và cho tôi những ý kiến quý báu cũng

nhƣ hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình làm thực nghiệm để hoàn thành luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn tới PGS. TS Chu Việt Hà, ngƣời luôn bên tôi, giúp

đỡ và cho tôi những lời khuyên quý báu để tôi vững bƣớc trong suốt giai đoạn học

tập của mình. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể lãnh đạo Khoa Vật

Lý, cùng các thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè, những ngƣời đã luôn quan tâm, giúp đỡ,

tạo điều kiện cho tôi để tôi có thời gian hoàn thành luận án.

Cuối cùng con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới bố mẹ hai bên, tới gia đình

nhỏ ở đó có chồng và con gái con, những ngƣời vẫn luôn bên con, thay con gánh

vác việc gia đình, tạo cho con động lực và niềm tin để con có đƣợc ngày hôm nay.

Xin trân trọng cảm ơn tất cả!

Hà Nội, tháng 01 năm 2018

iv

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii

LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii

MỤC LỤC ................................................................................................................. iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN.................................... viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................ xii

MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1

Chƣơng 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ VÀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ............. 9

1.1. Tính chất quang của các hạt nano kim loại .......................................................... 9

1.1.1. Hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt (Surface plasmon resonance -

SPR) .......................................................................................................................... 10

1.1.2. Lý thuyết Mie – sự phụ thuộc của tính chất quang vào kích thƣớc hạt .......... 11

1.1.3. Đặc trƣng quang học của các cấu trúc nano vàng ........................................... 16

1.1.3.1. Hạt nano vàng dạng cầu ............................................................................... 17

1.1.3.2. Thanh nano vàng – Lý thuyết Gans ............................................................. 19

1.1.3.3. Hạt nano cấu trúc lõi /vỏ silica/vàng (SiO2/Au) .......................................... 23

1.2. Các phƣơng pháp chế tạo cấu trúc nano vàng .................................................... 27

1.2.1. Phƣơng pháp nuôi mầm .................................................................................. 28

1.2.1.1. Cơ chế hình thành và phát triển hạt nano vàng bằng phƣơng pháp nuôi mầm ...... 29

1.2.1.2. Cơ chế ổn định keo của các hạt trong dung dịch ......................................... 31

1.2.2. Các phƣơng pháp chế tạo hạt nano vàng dạng cầu ......................................... 34

1.2.3. Các phƣơng pháp chế tạo hạt nano cấu trúc lõi/vỏ - SiO2/Au ........................ 37

1.2.4. Chế tạo thanh nano vàng ................................................................................. 39

1.3.1. Đánh dấu và hiện ảnh sinh học ....................................................................... 43

1.3.2. Ứng dụng hiệu ứng quang nhiệt ...................................................................... 45

1.4. Các phƣơng pháp đo đạc .................................................................................... 48

1.4.1.1. Phép đo kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .......................................... 48

1.4.1.2. Nhiễu xạ tia X (XRD) .................................................................................. 49

v

1.4.2. Các phƣơng pháp xác định cấu trúc hóa học .................................................. 50

1.4.2.1. Phƣơng pháp EDX (Energy-dispersive X-ray) ............................................ 50

1.4.2.2. Hấp thụ hồng ngoại (FTIR-Fourrier Transformation InfraRed) .................. 50

1.4.3. Phƣơng pháp tán xạ động (Dynamic Light Scattering -DLS) ........................ 51

1.4.4. Các phƣơng pháp xác định tính chất quang .................................................... 53

1.4.4.1. Phổ hấp thụ UV-Vis ..................................................................................... 53

1.4.4.2. Kính hiển vi trƣờng tối ................................................................................. 54

Chƣơng 2: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CÁC HẠT NANO

VÀNG DẠNG CẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP NUÔI MẦM .................................. 55

2.1. Nguyên liệu hóa chất .......................................................................................... 55

2.2. Chế tạo hạt vàng kích thƣớc nhỏ - vàng Duff-Baiker ........................................ 55

2.2.1. Quá trình chế tạo ............................................................................................. 56

2.2.2. Hình thái và tính chất quang ........................................................................... 57

2.3. Chế tạo các hạt nano vàng dạng cầu bằng phƣơng pháp nuôi mầm .................. 59

2.3.1. Dung dịch nuôi ................................................................................................ 61

2.3.1.1. Chuẩn bị dung dịch nuôi .............................................................................. 61

2.3.1.2. Xác định pH tối ƣu của dung dịch nuôi vàng hydroxyde ........................... 62

2.3.2. Khảo sát sự phát triển của hạt khi thay đổi tỷ lệ nồng độ ion Au3+

trong dung

dịch nuôi và nồng độ hạt vàng trong dung dịch mầm ............................................... 63

2.3.3. Điều khiển kích thƣớc hạt nano vàng lên tới 200 nm ..................................... 65

2.3.3.1. Phát triển kích thƣớc hạt từ hạt vàng Duff-Baiker ....................................... 65

2.3.3.2. Phát triển kích thƣớc hạt từ hạt vàng citrate ................................................ 67

Kết luận chƣơng 2 ..................................................................................................... 76

Chƣơng 3: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CẤU

TRÚC NANO LÕI SILICA VỎ VÀNG SiO2/Au .................................................... 77

3.1. Nguyên liệu hóa chất -Quy trình chế tạo ........................................................... 77

3.2. Chế tạo và amin hóa hạt nano silica bằng phƣơng pháp Stober ........................ 79

3.2.1. Thí nghiệm chế tạo và amin hóa hạt nano silica ............................................. 79

3.2.1.1. Tạo hạt nano silica bằng phƣơng pháp Stober ............................................ 80

3.2.1.2 Chức năng hóa bề mặt hạt nano silica bằng các phân tử APTES ................ 81

vi

3.2.2. Kết quả tổng hợp hạt lõi nano silica ................................................................ 81

3.3. Chuẩn bị hạt silica – vàng mầm ......................................................................... 85

3.3.1. Hấp phụ của hạt vàng Duff-Baiker lên hạt silica có hóa học bề mặt khác nhau

................................................................................................................................... 85

3.3.2. Ảnh hƣởng của thời gian ủ tới quá trình hấp phụ các hạt nano vàng mầm lên hạt

lõi nano silica. ............................................................................................................ 87

3.4. Chế tạo các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ silica/vàng ................................................ 88

3.4.1. Ảnh hƣởng nồng độ HCHO đến sự phát triển của hạt vàng trên bề mặt hạt nano

silica ........................................................................................................................... 89

3.4.2. Chế tạo hạt nano SiO2/Au với tỉ lệ đƣờng kính lõi và độ dày vỏ thay đổi ..... 91

3.4.2.1. Chế tạo hạt nano SiO2/Au có độ dày vỏ thay đổi ......................................... 91

3.4.2.2. Tạo lớp vỏ vàng trên các hạt lõi silica có đƣờng kính trong khoảng 40-150 nm.

................................................................................................................................... 95

Kết luận chƣơng 3 ................................................................................................... 100

Chƣơng 4: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CẤU

TRÚC NANO VÀNG DẠNG THANH ................................................................. 101

4.1. Nguyên liệu hóa chất - Quy trình chế tạo ........................................................ 101

4.1.1. Quy trình chế tạo thanh nano vàng ............................................................... 102

4.1.2. Giai đoạn tạo mầm ........................................................................................ 103

4.1.3. Giai đoạn nuôi mầm để tạo thanh ................................................................. 105

4.2. Chế tạo các thanh nano vàng và khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng .................... 106

4.2.1. Tỷ lệ nồng độ Ag+/Au

3+ ................................................................................ 106

4.2.2. Nồng độ tác nhân khử Axit ascorbic (AA) ................................................... 106

4.3. Kết quả chế tạo thanh nano vàng ..................................................................... 107

4.3.1. Hình dạng và thành phần của thanh nano vàng ............................................... 107

4.3.2. Ảnh hƣởng của các yếu tố lên sự hình thành và phát triển của thanh........... 109

4.3.2.1. Tỉ lệ nồng độ mol [Ag+

]/[Au3+

] ................................................................... 109

4.3.2.2. Ảnh hƣởng của nồng độ AA ......................................................................... 115

4.4. Sự phụ thuộc tính chất quang của các thanh nano vàng vào chiết suất của môi

trƣờng ...................................................................................................................... 117

4.4.1. Ảnh hƣởng của nồng độ CTAB lên tính chất quang của các thanh nano vàng . 117

vii

4.4.2. Ảnh hƣởng của các phân tử bề mặt lên tính chất quang của các thanh nano

vàng ......................................................................................................................... 119

Kết luận chƣơng 4 ................................................................................................... 121

Chƣơng 5: THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG ............................................................... 122

5.1. Gắn kết hạt nano vàng với các phân tử sinh học và tƣơng thích sinh học ....... 123

5.1.2. Gắn kết với phân tử albumin – protein bovine serum albumin (BSA) ......... 124

5.1.3. Gắn kết với glutathione (GSH) ..................................................................... 124

5.2. Một số kết quả gắn kết phân tử sinh học/tƣơng thích sinh học lên các cấu trúc

nano vàng ................................................................................................................ 125

5.3. Kết quả sử dụng hạt nano vàng trong hiện ảnh tế bào ..................................... 130

5.4. Ứng dụng quang nhiệt của các cấu trúc nano vàng trên mô thịt ...................... 131

5.4.1. Bố trí thí nghiệm ........................................................................................... 131

5.4.2. Kết quả ứng dụng quang nhiệt ...................................................................... 133

Kết luận chƣơng 5 ................................................................................................... 137

DANH MỤC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............................... 141

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 143

PHỤ LỤC ................................................................................................................ 156

viii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN

Kí hiệu Tên Tiếng Anh Tên tiếng Việt

AA Ascorbic acid Axit ascorbic

AR Aspect Ratio Tỷ lệ cạnh

CTAB Cetyl trimethyl ammonium bromide -

NIR Near-infrared range Vùng hồng ngoại gần

PPTT Plasmonic photo-thermal therapy Hiệu ứng quang – nhiệt

SPR Surface plassmon resonance Cộng hƣởng plasmon bề mặt

SP Surface plasmon Plasmon bề mặt

SPP Surface Plasmon Polariton Plasmon polariton bề mặt

DDA Discrete dipole approximation Gần đúng lƣỡng cực

GNR Gold nanorod Thanh nano vàng

TSPR Transmission surface plasmon

resonance

Cộng hƣởng plasmon theo

chiều ngang của thanh

LSPR Long surface plasmon resonance Cộng hƣởng plasmon theo

chiều dọc của thanh

max LSPR - Cực đại hấp thụ ứng với dao

động LSPR của GNR

R =

LSPR/TSPR

- Tỷ số độ hấp thụ quang

BDAC Benzyl dimethylhexadecyl ammonium

chloride

-

BSA Bovine serum albumin -

THPC Tetra- -

ix

kis(hydroxymethyl)phosphonium

chloride

DP Deposition Precipitation Kết tủa lắng đọng

GPS Gold Plating Solution Dung dịch vàng hydroxide

- Dung dịch nuôi

GSH Glutathione reduced -

TEOS Tetraethyl orthosilicate -

APTES Propylamin-triethoxysilan -

PEG Polyethylene glycol -

TEM Transmission electron microscope Hiển vi điện tử truyền qua

DLS Dynamic Light Scattering Tán xạ ánh sáng động học

PdI Polydispertion Index Chỉ số đa phân tán

x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Các phƣơng pháp chế tạo hạt nano vàng dạng cầu bằng phƣơng pháp

nuôi mầm ................................................................................................................... 36

Bảng 1.2. Một số kết quả tổng hợp cấu trúc lõi/vỏ của các nhóm trên thế giới ....... 39

Bảng 2.1. Các hóa chất dùng trong quá trình chế tạo hạt nano vàng dạng cầu. ....... 55

Bảng 2.2. Các thông số thí nghiệm khảo sát sự phát triển của hạt khi nồng độ mầm

thay đổi. ..................................................................................................................... 63

Bảng 2.3. Thể tích dung dịch nuôi và dung dịch mầm trong 4 bƣớc nuôi sử dụng hạt

mầm ban đầu là hạt vàng Duff-Baiker. Lƣợng chất khử HCHO 37% trong mỗi bƣớc

giữ không đổi 3µl. ..................................................................................................... 65

Bảng 2.4. Kích thƣớc và chỉ số PdI của các dung dịch nano vàng nhận đƣợc từ mầm

Duff-Baiker sau các bƣớc nuôi ................................................................................. 67

Bảng 2.5. Thể tích dung dịch nuôi và dung dịch mầm trong 18 bƣớc nuôi từ bƣớc 5

đến bƣớc 22, hạt mầm ban đầu sử dụng là hạt vàng citrate. Lƣợng chất khử HCHO

37% trong mỗi bƣớc giữ không đổi 3µl. ................................................................... 68

Bảng 2.6. Tính toán kích thƣớc, nồng độ, và các đặc tính quang của các hạt nano

vàng thu đƣợc sau các bƣớc phát triển khác nhau....................................................72

Bảng 2.7. Các thông số quang của các dung dịch hạt keo vàng với một số kích

thƣớc khác nhau ........................................................................................................ 74

Bảng 3.1. Các hóa chất dùng trong quá trình chế tạo các hạt nano cấu trúc lõi silica

vỏ vàng (SiO2/Au). .................................................................................................... 77

Bảng 3.2. Tổng hợp các kết quả đo kích thƣớc hạt từ ảnh TEM, PdI, đƣờng kính

thủy động và nồng độ các hạt silica đƣợc chức năng hóa bề mặt ............................. 84

Bảng 3.3. Các thông số thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ HCHO đến sự

phát triển lớp vỏ vàng ................................................................................................ 90

Bảng 3.4. Chiều dày lớp vỏ vàng để phủ kín các lõi silica có đƣờng kính khác nhau

................................................................................................................................... 97

Bảng 4.1. Các hóa chất dùng trong quá trình chế tạo cấu trúc nano vàng dạng thanh 101

Bảng 4.2. Các thông số thực nghiệm khảo sát sự ảnh hƣởng của ion Ag+ đến sự

hình thành và phát triển của cấu trúc nano vàng dạng thanh .................................. 106

Bảng 4.3. Ảnh hƣởng của nồng độ AA đến sự hình thành và phát triển của thanh

nano vàng. ............................................................................................................... 107

xi

Bảng 4.4. Hiệu suất tạo thanh, đƣờng kính trung bình và tỉ lệ các cạnh của thanh tạo

thành ứng với tỉ lệ mol [Ag+ ]/[Au

3+] khác nhau ...................................................... 110

Bảng 4.5. Các thông số thực nghiệm khảo sát sự ảnh hƣởng của ion Ag+ đến sự

hình thành và phát triển của cấu trúc thanh nano vàng ........................................... 113

Bảng 4.6. Các thông số thực nghiệm khảo sát sự ảnh hƣởng của AA đến sự hình

thành và phát triển của cấu trúc thanh nano vàng ................................................... 116

Bảng 4.7. Cƣờng độ và bƣớc sóng đỉnh cộng hƣởng plasmon của thanh nano vàng

trong các dung dịch CTAB với nồng độ khác nhau. ............................................... 118

Bảng 4.8. Cƣờng độ và bƣớc sóng đỉnh cộng hƣởng plasmon của các dung dịch

thanh nano vàng trƣớc và sau khi đƣợc bọc bằng các phân tử tƣơng thích sinh học:

BSA, PEG, GSH ..................................................................................................... 121

Bảng 5.1. Kết quả thế Zeta của các dung dịch hạt nano SiO2/Au trƣớc và sau khi

gắn kết với các phân tử BSA, GSH, PEG và kháng thể IgG/BSA ......................... 128

Bảng 5.2. Mật độ công suất ứng với chiều dày mẫu thay đổi ................................ 133

Bảng 5.3. Nhiệt độ Tmax đạt đƣợc của mẫu tiêm các hạt nano SiO2 /Au, thanh nano

vàng ở cùng độ hấp thụ khi đƣợc chiếu sáng bằng laser 808 nm. .......................... 135

xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Sự tạo thành dao động plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại ........10

Hình 1.2. Sự phụ thuộc của hệ số suy hao của hạt nano vàng vào kích thƣớc hạt.

................................................................................................................................... 15

Hình 1.3. Phổ hấp thụ của các dung dịch nano vàng cầu phụ thuộc vào kích thƣớc

hạt [79] ...................................................................................................................... 16

Hình 1.4. Tính toán các hiệu suất hấp thụ Qabs (đƣờng gạch đỏ), hiệu suất tán xạ

Qsca (đƣờng chấm đen), và hiệu suất dập tắt Q (đƣờng liền màu xanh) cho các hạt

cầu nano vàng (a) D = 20 nm, (b) D = 40 nm, (c) D = 80 nm, và (d) polystyrene

nanospheres D = 300 nm .......................................................................................... 18

Hình 1.5. Sự phân bố điện tích trên một thanh nano dƣới kích thích của ánh sáng tới 19

Hình 1.6. Đặc tính quang của nano vàng dạng thanh phụ thuộc vào tỉ lệ các cạnh

của thanh. Ảnh TEM của các thanh nano vàng với tỉ lệ các cạnh khác nhau (A); Sự

phụ thuộc của màu sắc tán xạ vào tỉ lệ các cạnh (B); Phổ dập tắt đã chuẩn hóa thể

hiện sự dịch đỉnh cộng hƣởng plasmon về phía sóng dài khi tỉ lệ các cạnh của thanh

(AR) tăng (C). ........................................................................................................... 21

Hình 1.7. Sự phụ thuộc tính chất quang của thanh nano vàng vào chiết suất môi

trƣờng ........................................................................................................................ 22

Hình 1.8. Cấu trúc nano lõi/vỏ silica/vàng ............................................................... 23

Hình 1.9. Mô hình lai mô tả sự tƣơng tác giữa hạt nano cầu đặc và hạt nano cầu

rỗng .......................................................................................................................... 24

Hình 1.10. Sự thay đổi cộng hƣởng plasmon của các cấu trúc lõi silica vỏ vàng

theo độ dày lớp vỏ . ................................................................................................... 25

Hình 1.11. Hệ số hấp thụ (đƣờng liền) và hệ số tán xạ (đƣờng gạch) đƣợc tính toán

theo lý thuyết Mie cho hạt cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au với tỉ lệ lõi/vỏ không đổi 0.8.

Với hạt có bán kính lõi 40 nm, bán kính lớp vỏ là 50nm, hiệu suất hấp thụ và tán xạ

là nhƣ nhau . .............................................................................................................. 26

Hình 1.12. Tính toán hiệu suất dập tắt (đƣờng trên cùng), hấp thụ (đƣờng ở giữa),

tán xạ (đƣờng dƣới cùng) của: a.hạt nano vàng dạng cầu đƣờng kính 80nm, b. cấu

trúc lõi/vỏ vàng bán kính 70nm với lõi silica bán kính 60nm, c. thanh nano vàng

59,6 x 13,5nm . ......................................................................................................... 26

xiii

Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp nuôi mầm ........................................ 28

Hình 1.14. Các thay đổi trong các nồng độ nguyên tử của các phần tử phát triển

trong dung dịch nhƣ một hàm theo thời gian I) giai đoạn sinh ra các nguyên tử II)

giai đoạn tạo hạt nhân và III) giai đoạn hình thành và phát triển hạt mầm ............ 29

Hình 1.15. Sơ đồ minh họa cho sự ổn định tĩnh điện giữa hai hạt nano keo dạng cầu

................................................................................................................................... 31

Hình 1.16. Thế năng tổng (V đƣờng liền nét) biểu diễn sự kết hợp của các thế năng

hút Van der Waals và thế năng đẩy tĩnh điện (VA và VR, tƣơng ứng) . .................... 32

Hình 1.17. Ổn định không gian giữa hai hạt tiến lại gần nhau chứa các polymer

liên kết một đầu với bề mặt các hạt . ......................................................................... 33

Hình 1.18. Các phƣơng pháp tổng hợp hạt có cấu trúc lõi vỏ: silica/ vàng: a) theo

mô tả Halas et al.; b) và c) theo phƣơng pháp lắng đọng DP. .................................. 38

Hình 1.19. Mô hình minh họa cơ chế phát triển của thanh nano vàng khi không có

ion Ag+ ...................................................................................................................... 41

Hình 1.20. Cơ chế hình thành GNR dƣới sự định hƣớng của ion Ag+ ..................... 42

Hình 1.21. Đánh dấu tế bào SiHa bằng hạt nano Au: ảnh A, B, C, D là đánh dấu đặc hiệu

dùng hạt vàng gắn với kháng thể EGFR, ảnh E, F là đánh dấu không đặc hiệu dùng hạt Au

gắn kết với BSA . ........................................................................................................ 44

Hình 1.22. Ảnh trƣờng tối của tế bào SKBr3 khi không đƣợc ủ với cấu trúc nano

lõi/vỏ (1), khi ủ với phức hệ nano@ kháng thể không đặc hiệu IgG(2), khi ủ với phức hệ

nano @kháng thể đặc hiệu HER2. ................................................................................ 45

Hình 1.23. Khu vực khoanh đỏ là nơi nanoshells đƣợc tiêm vào: trong vài phút bị

đốt nóng dƣới ánh sáng gần hồng ngoại, các tế bào này đã chế . ............................. 47

Hình 1.24. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ................................ 48

Hình 1.25. Hiện tƣợng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn, ............... 49

Hình 1.26. Sự biến thiên của thế zeta theo giá trị pH của môi trƣờng ..................... 52

Hình 1.27. Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis ........................................................ 53

Hình 1.28. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của kính hiển vi trƣờng tối .............................. 54

Hình 2.1. Sơ đồ phản ứng tạo hạt vàng theo phƣơng pháp Duff-Baiker.................. 56

Hình 2.2. Ảnh TEM của hạt vàng Duff –Baiker, thang đo 20 nm(trái) và phổ hấp

thụ plasmon của chúng(phải). ................................................................................... 58

xiv

Hình 2.3. Ảnh TEM của hạt vàng Duff-Baiker sau 21 ngày bảo quản ở 40C (ảnh a)

và bảo quản ở nhiệt độ phòng (ảnh b), thang đo 20 nm. ........................................... 59

Hình 2.4. Sơ đồ tổng hợp hạt nano vàng dạng cầu bằng phƣơng pháp nuôi mầm

qua nhiều bƣớc nuôi .................................................................................................. 60

Hình 2.5. Phổ hấp thụ của các dung dịch nuôi có các giá trị pH khác nhau sau 5

phút phản ứng khử ..................................................................................................... 62

Hình 2.6. Ảnh TEM của các mẫu Au-Ci 0 (mầm d =16±1,5nm), mẫu 1: d =

30±3nm, mẫu 2: d = 35 ± 3nm; mẫu 3: d= 45±5nm; mẫu 4: d = 65±7nm. .............. 64

Hình 2.7. Ảnh TEM của hạt vàng mầm và sản phẩm của 4 bƣớc nuôi. ................... 66

Hình 2.8. Ảnh TEM của hạt vàng citrate (a) với thang kích thƣớc là 100 nm, phổ

phân bố kích thƣớc hạt (b) ........................................................................................ 68

Hình 2.9. Ảnh TEM của các hạt nano mầm vàng citrate và sản phẩm thu đƣợc ở các

bƣớc nuôi khác nhau với độ phóng đại 40000X, thang đo 100nm. .......................... 69

Hình 2.10. Phổ cộng hƣởng plasmon của các dung dịch keo vàng kích thƣớc nhỏ từ

bƣớc nuôi 1 đến bƣớc nuôi 3 (A), phổ cộng hƣởng plasmon của các dung dịch keo

vàng kích thƣớc lớn từ bƣớc 17 đến bƣớc 22 (B ) và phổ chuẩn hóa của các dung

dịch từ bƣớc nuôi thứ 5 đến bƣớc nuôi thứ 16 (C). .................................................. 72

Hình 2.11. các phổ hấp thụ tƣơng ứng với các dao động lƣỡng cực và dao động tứ

cực đƣợc tách ra từ phổ hấp thụ của các dung dịch hạt sản phẩm của bƣớc nuôi 17

(trái) và bƣớc nuôi 22 (phải). .................................................................................... 73

Hình 2.12. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tiết diện dập tắt và tiết diện hấp thụ

của hạt nano vàng vào đƣờng kính của hạt ............................................................... 75

Hình 2.13. Sự phụ thuộc của tiết diện tắt của các hạt nano vàng dạng cầu vào

đƣờng kính của hạt .................................................................................................... 75

Hình 3.1. Sơ đồ chế tạo hạt nano SiO2/Au theo quy trình 4 bƣớc ........................... 78

Hình 3.2. Sơ đồ chế tạo và amin hóa hạt silica bằng phƣơng pháp Stober .............. 80

Hình 3.3. Ảnh TEM của các hạt nano silica đƣợc làm với lƣợng NH4OH khác nhau:

900 µl; 1000µl; 1100µl; 1200µl; 1300µl (từ trái sang phải) trƣớc (hàng trên) và sau

(hàng dƣới) khi chức năng hóa bề mặt với APTES các tại thang đo 100nm với độ

phóng đại 40000 lần. ................................................................................................. 82

xv

Hình 3.4. Giản đồ phân bố kích thƣớc hạt của các hạt silica chức năng hóa bề mặt

với các lƣợng NH4OH khác nhau: a) 900 µl; b) 1000 µl; c) 1100 µl; d) 1200 µl; e)

1300 µl. ..................................................................................................................... 83

Hình 3.5. Ảnh TEM của các hạt nano silica trƣớc a) và sau b) chức năng hóa bề mặt

bằng APTES khi đƣợc ủ với các hạt nano vàng Duff- Baiker trong cùng điều kiện.

Độ phóng đại 40 nghìn lần. ....................................................................................... 86

Hình 3.6 Ảnh TEM của các hạt silica kích thƣớc 150 nm sau khi ủ với vàng Duff-

Baiker trong các thời gian a) 1h; b)3h; c) 4h; d)24h. Độ phóng đại 40000 lần, thang

đo 100nm ................................................................................................................... 87

Hình 3.7. Sơ đồ nuôi mầm để hình thành hạt cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au .................... 88

Hình 3.8. Phổ hấp thụ của dãy mẫu SiO2/Au với các lƣợng HCHO thay đổi .............. 91

Hình 3.9. Phổ hấp thụ plasmon cộng hƣởng của : A) hạt “mầm”; B) phát triến lớp

vỏ ƣớc tính 5nm; C) lớp vỏ ƣớc tính 7 nm; D) lớp vỏ ƣớc tính 15 nm đƣợc phát

triển trên lõi silica đƣờng kính 150 nm. .................................................................... 92

Hình 3.10. Ảnh SEM của lõi silica đƣờng kính 150 nm đƣợc phát triển lớp vỏ theo

các giai đoạn khác nhau: A) hạt silica –vàng mầm; B) phát triến với lớp vỏ ƣớc tính

5nm; C) lớp vỏ ƣớc tính 7 nm; D) lớp vỏ ƣớc tính 15 nm với độ phóng đại 100

nghìn lần. ................................................................................................................... 94

Hình 3.11. HTEM và ảnh phân tích EDX tƣơng ứng của cấu trúc hạt lõi silica

150nm theo tiến trình làm kín lớp vỏ kim loại vàng tƣơng ứng với các hạt trên hình

3.8 (B), (C), (D). Mầu vàng tƣơng ứng với nguyên tố Au, mầu đỏ ứng với nguyên

tố O; mầu xanh lá ứng với nguyên tố Si; với thang đo 100 nm. ............................... 94

Hình 3.12. Ảnh TEM của các hạt nano với đƣờng kính hạt lõi trung bình khác nhau

(A) 45nm, (B) 65nm, (C) 100nm, (D) 110 nm, (E) 130 nm , (F) 150 nm đƣợc bọc

với lớp vỏ vàng: (i) silica lõi, (ii) silica gắn vàng THPC, (iii) lớp vỏ vàng trong quá

trình phát triển, (iv) lớp vỏ vàng đã bọc kín hạt. ....................................................... 96

Hình 3.13. Phổ hấp thụ và phổ hấp thụ chuẩn hóa của dãy mẫu của hạt nano cấu

trúc lõi/vỏ Si2O/Au có kích thƣớc lõi 45 nm (hàng trên), 130 nm (hàng giữa) và

150nm (hàng dƣới) với độ dày lớp vỏ thay đổi. ....................................................... 98

Hình 3.14. Phổ cộng hƣởng plasmon chuẩn hóa của các dung dịch hạt nano

SiO2/Au với cùng độ dày lớp vỏ và các đƣờng kính hạt lõi thay đổi. ...................... 99

xvi

Hình 4.1. Sơ đồ tổng hợp nano vàng dạng thanh bằng phƣơng pháp nuôi mầm ... 103

Hình 4.2. Ảnh HTEM của tinh thể vàng mầm để tạo thanh: thang đo 5 nm với độ

phóng đại 500 nghìn lần (hình trái), thang đo 2 nm với độ phóng đại 1 triệu lần

(hình phải). .............................................................................................................. 104

Hình 4.3. Cấu trúc lý tƣởng cho các thanh nano vàng đƣợc tổng hợp khi có ion Ag+ [93]

................................................................................................................................. 104

Hình 4.4. Ảnh TEM của thanh nano vàng với độ phóng đại 200 nghìn lần tại thang đo

................................................................................................................................. 108

10 nm (trái), phổ hấp thụ plasmon của chúng (phải) ................................................. 108

Hình 4.5. Phổ XRD của thanh nano vàng .............................................................. 109

Hình 4.6. Ảnh TEM của các mẫu thanh nano vàng với [Ag+] /[Au

3+] thay đổi, thang

đo bằng 20nm .......................................................................................................... 110

Hình 4.7. Phổ hấp thụ plasmon cộng hƣởng của các dung dịch thanh nano vàng theo

tỉ lệ mol [Ag+] / [Au

3+] (hình trái) và phổ chuẩn hóa (hình phải). .............................. 112

Hình 4.8. Sự phụ thuộc của bƣớc sóng đỉnh hấp thụ cộng hƣởng plasmon theo

chiều dọc max LSPR (đƣờng đen) và tỉ lệ độ hấp thụ theo hai trục của thanh

LSP/TSP =R (đƣờng xanh) vào nồng độ ion Ag+. .................................................. 114

Hình 4.9. Sự phụ thuộc của bƣớc sóng đỉnh hấp thụ plasmon theo chiều dọc vào tỉ

lệ các cạnh của thanh AR. ....................................................................................... 115

Hình 4.10. Phổ hấp thụ của các dung dịch chứa các thanh nano vàng khi tỉ lệ mol

[AA]/[Au3+

] thay đổi (hình a) và phổ hấp thụ chuẩn hóa của các dung dịch đó (hình b).

................................................................................................................................. 116

Hình 4.11. Phổ hấp thụ plasmon của thanh nano vàng 10 nm 40 nm phân tán

trong môi trƣờng với các nồng độ CTAB khác nhau (trái) và phổ chuẩn hóa của

chúng(phải). ............................................................................................................ 117

Hình 4.12. Hình minh hoạ liên kết của CTAB trên bề mặt thanh nano vàng theo

nồng độ. ................................................................................................................... 119

Hình 4.13. Các phổ hấp thụ (trái) và phổ hấp thụ chuẩn hóa (phải) của các dung

dịch nano vàng dạng thanh trƣớc và sau khi đƣợc bọc bằng các phân tử tƣơng thích

sinh học BSA, PEG, GSH. ...................................................................................... 120

Hình 5.1. Cấu trúc phân tử thiol – PEG – acid ....................................................... 123

xvii

Hình 5.2. Sơ đồ gắn kết phân tử PEG lên hạt nano vàng (Au@PEG) ................... 123

Hình 5.3. Cấu trúc chung của các axit amin ........................................................... 124

Hình 5.4. Sơ đồ gắn kết phân tử BSA lên bề mặt của hạt nano vàng(Au@BSA) . 124

Hình 5.5. Cấu trúc phân tử GSH ............................................................................ 124

Hình 5.6. Phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR) của protein BSA và Au@BSA ............ 125

Hình 5.7. Ảnh TEM của hạt nano vàng trƣớc (trái) và sau khi bọc BSA (phải),

thang đo 50 nm ....................................................................................................... 126

Hình 5.8. Phổ hấp thụ plasmon của các dung dịch hạt nano vàng không gắn kết với

BSA (trái) và có gắn BSA (phải) theo thời gian bảo quản...................................... 127

Hình 5.9. Phổ hấp thụ plasmon của dung dịch hạt SiO2/Au trƣớc và sau khi gắn kết

với các phân tử khác nhau BSA, GSH, PEG, IgG/BSA ......................................... 128

Hình 5.10. Thế zeta của nanoshells gắn kết với các phân tử GSH, PEG, BSA và

kháng thể IgG/BSA ................................................................................................. 129

Hình 5.11. Ảnh hiển vi trƣờng tối của tế bào ung thƣ nuôi cấy BT -474 (A), ảnh

hiển vi trƣờng tối của tế bào ung thƣ BT-474 đƣợc đánh dấu bằng phức hệ Au@

IgG-HER2 (B) và ảnh hiển vi trƣờng tối của tế bào ung thƣ BT-474 đƣợc ủ với hạt

nano vàng@BSA (C). ............................................................................................. 130

Hình 5.12. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát hiệu ứng quang nhiệt trên mô thịt. ... 131

Hình 5.13. Phổ hấp thụ plasmon của dung dịch thanh nano vàng (hình trái) và

SiO2/Au (hình phải) ................................................................................................. 132

Hình 5.14. Sự biến đổi nhiệt độ theo thời gian chiếu sáng bằng laser bƣớc sóng 808

nm của các mẫu tiêm các hạt nano vàng cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au, thanh nano vàng

có cùng độ hấp thụ, các mẫu có độ dày 1 mm, 2mm, 3mm, 4mm. ........................ 134

Hình 5.15. Sự phụ thuộc nhiệt độ chênh lệch của các mẫu chứa dung dịch nano

vàng với nhiệt độ môi trƣờng vào mật độ công suất chiếu tại hạt. ......................... 135

1

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

2

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

3

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

4

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... [90, 118]. 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 đến 4.5

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

5

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.

Nghiêm Thị Hà Liên đã chế tạo thành công các hạt nano vàng dạng cầu, phân tán

trong nƣớc, có kích thƣớc từ 15nm – 40nm. Các hạt nano vàng sau đó đã đƣợc bọc

các lớp hợp sinh nhƣ PEG dị chức thiol polyethylene glycol (HS-PEG-COOH),

bovine serum albumin (BSA) và streptavidin (SA) và đƣợc thử độc tính in vitro và

in vivo trên chuột. Kết quả cho thấy các dung dịch nano vàng trên đã không gây ra

bất kì thay đổi nào đối với các tế bào cũng nhƣ các cá thể chuột với liều lƣợng đƣợc

sử dụng. Đồng thời, các hạt nano vàng đã đƣợc sử dụng để hiện ảnh tế bào ung thƣ

vú bằng sử dụng các phức hệ hạt nano vàng – kháng thể đơn dòng; hạt nano vàng –

aptamer kháng HER2 và nghiên cứu hiệu ứng chuyển đổi quang nhiệt trên mô và

trên tế bào. Nhóm đã sử dụng phức hệ hạt nano vàng – aptamer HER2 để chế tạo

băng thử nhanh và cảm biến truyền năng lƣợng phát hiện kháng nguyên ung thƣ vú.

PGS.TS. Nguyễn Hoàng Hải (trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc

gia Hà Nội) đã sử dụng các hạt nano vàng để chế tạo cảm biến sinh học xác định

nồng độ của virus gây bệnh với độ nhạy cao. Tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn

lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, nhóm của TS. Hà Phƣơng Thƣ đã thành

công trong việc gắn thuốc nano hƣớng đich để diệt tế bào ung thƣ. Ngoài ra, nhóm

của PGS.TS Nguyễn Thế Bình (Đại học KHTN Hà Nội) đã chế tạo hạt nano vàng

bằng ăn mòn laser. Gần đây, các cấu trúc nano Au, Ag đƣợc sử dụng làm các đế

SERS để phát hiện dƣ lƣợng các độc tố trong thực phẩm; các hạt nano vàng đƣợc sử

dụng làm quang xúc tác hay làm chất tăng độ nhạy cho pin mặt trời... Nghiên cứu

chế tạo các cấu trúc nano vàng và sử dụng chúng trong các ứng dụng vẫn đang là

những đề tài đƣợc các nhà nghiên cứu trong và ngoài nƣớc quan tâm.

6

Trong bối cảnh đó, đề tài luận án đƣợc chọn là: “Nghiên cứu chế tạo và khảo

sát tính chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và dạng

lõi/vỏ silica/vàng định hƣớng ứng dụng trong y sinh”.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

Chế tạo các cấu trúc nano vàng khác nhau với kích thƣớc thay đổi nhằm ứng

dụng trong hiện ảnh tế bào và hiệu ứng quang nhiệt.

Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các hạt nano vàng dạng

cầu với các kích thƣớc biến thiên trong dải rộng.

- Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano lõi

silica vỏ vàng với đƣờng kính lõi và độ dày lớp vỏ thay đổi.

- Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano vàng

dạng thanh có tỉ lệ các cạnh thay đổi.

- Chức năng hóa bề mặt các cấu trúc nano vàng với các phân tử sinh học và

tƣơng thích sinh học. Trên cơ sở đó thử nghiệm chúng trong các ứng dụng y sinh:

hiện ảnh tế bào BT-474 và thử nghiệm hiệu ứng quang nhiệt trên mô sống.

Phƣơng pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng các phƣơng pháp thực nghiệm để chế tạo vật liệu nano vànà

thử nghiệm ứng dụng các vật liệu chế tạo đƣợc trong hiện ảnh tế bào và hiệu ứng

quang nhiệt.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:

Đây là đề tài đầu tiên ở nƣớc ta nghiên cứu một cách có hệ thống việc chế

tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano vàng bao gồm dạng cầu, dạng

thanh và cấu trúc lõi/vỏ. Đề tài đã giải quyết đƣợc việc tổng hợp các hạt nano vàng

cầu phân tán tốt, có kích thƣớc đồng đều thay đổi trong một dải rộng từ vài đến

hàng trăm nano mét bằng phƣơng pháp nuôi mầm. Đồng thời, đề tài cũng đã nghiên

7

cứu chế tạo đƣợc các cấu trúc nano vàng dạng thanh với tỉ lệ các cạnh thay đổi và

các cấu trúc lõi/vỏ với các kích thƣớc khác nhau hƣớng tới mục đích ứng dụng

trong hiện ảnh tế bào và tiêu diệt tế bào bằng hiệu ứng quang nhiệt. Đây là các

nghiên cứu đang đƣợc thế giới quan tâm và một phần của luận án nằm trong nội

dung của đề tài NCCB thuộc quỹ phát triển KH &CN quốc gia (Nafosted) “Tƣơng

tác của các cấu trúc nano trong tổ hợp nano đa chức năng ứng dụng trong y

sinh học”, mã số: 103.06-2010.10. Vì vậy, đề tài luận án mang tính khoa học cơ

bản và có tính định hƣớng ứng dụng cao.

Các đóng góp mới của luận án:

Luận án đã tìm ra quy trình đơn giản chế tạo hạt nano vàng dạng cầu ở nhiệt

độ phòng, kích thƣớc hạt có thể điều khiển đƣợc trong một khoảng khá rộng từ 2nm

tới 200 nm bằng phƣơng pháp nuôi mầm. Phƣơng pháp này có thể mở rộng cho việc

chế tạo hạt nano vàng dạng cầu xuất phát từ một mầm vàng đƣờng kính bất kỳ với

độ chính xác và đồng đều cao.

Luận án đã tìm ra quy trình chế tạo hạt nanoshell với việc kiểm soát tinh tế độ

dày lớp vỏ vàng trong khoảng từ 10- 30 nm bằng việc kiểm soát nồng độ “mầm”.

Đồng thời với việc sử dụng hạt vàng Duff- Baiker kích thƣớc đồng đều và nhỏ nên

tạo đƣợc lớp vỏ vàng mỏng hơn, ít gồ ghề hơn trên bề mặt hạt lõi. Đồng thời đã tạo

đƣợc các hạt nano shell kích thƣớc nhỏ dƣới 100 nm có đỉnh hấp thụ plasmon

khoảng 700 nm.

Cấu trúc của luận án bao gồm 150 trang, không kể phần tài liệu tham khảo

và phụ lục. Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án đƣợc chia 5 chƣơng, cụ thể là:

- Chƣơng 1: trình bày tổng quan về các vấn đề liên quan đến luận án bao gồm:

tính chất quang của các hạt nano kim loại nói chung và các đặc trƣng quang học của

các cấu trúc nano vàng nói riêng; các phƣơng pháp chế tạo các cấu trúc nano vàng

dạng cầu, dạng thanh và cấu trúc lõi vỏ; một số ứng dụng của các cấu trúc nano

vàng trong y sinh. Đồng thời, trình bày nguyên lý của các phƣơng pháp đo đạc thực

nghiệm bao gồm các phƣơng pháp xác định hình thái, cấu trúc hóa học, cấu trúc bề

8

mặt, độ đơn phân tán của vật liệu và các phƣơng pháp khảo sát tính chất quang của

vật liệu.

- Chƣơng 2: trình bày các nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của

các hạt nano vàng dạng cầu với các kích thƣớc biến thiên trong dải rộng.

- Chƣơng 3: trình bày các nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của

các cấu trúc nano lõi silica vỏ vàng với đƣờng kính lõi và độ dày lớp vỏ thay đổi.

- Chƣơng 4: trình bày các nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của

các cấu trúc nano vàng dạng thanh có tỉ lệ các cạnh thay đổi.

- Chƣơng 5: trình bày chức năng hóa bề mặt các cấu trúc nano vàng với các

phân tử sinh học và tƣơng thích sinh học. Thử nghiệm chúng trong các ứng dụng y

sinh: hiện ảnh tế bào BT-474 và thử nghiệm hiệu ứng quang nhiệt trên mô sống.

9

Chƣơng 1

TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ VÀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

1.1. Tính chất quang của các hạt nano kim loại

Hạt nano có các tính chất khác biệt so với các tính chất của vật liệu khối do

có hai hiệu ứng: hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thƣớc. Khi vật liệu có kích thƣớc

nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia

tăng. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các

nguyên tử trong lòng vật liệu nên khi kích thƣớc vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có

liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên. Hiệu

ứng này không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu

ứng bề mặt, xong hiệu ứng này nhỏ thƣờng bị bỏ qua.

Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thƣớc của vật liệu nano đã làm cho

vật liệu này trở nên độc đáo hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với mỗi

một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trƣng. Độ dài

đặc trƣng của các tính chất phần lớn đều nằm trong thang nanomet, vì vậy kích

thƣớc của vật liệu nano có thể so sánh với độ dài đặc trƣng của các tính chất. Điều

đó là nguyên nhân làm cho vật liệu nano có các tính chất đặc thù của riêng nó.

Đối với vật liệu nano kim loại, mật độ điện tử tự do lớn nên khi đƣợc kích

thích bởi điện trƣờng của ánh sáng tới thì các điện tử tự do này dao động theo tần số

của ánh sáng chiếu tới. Thông thƣờng các dao động này bị dập tắt nhanh chóng bởi

các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng

đƣờng tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thƣớc vật liệu. Nhƣng khi kích

thƣớc của kim loại nhỏ hơn quãng đƣờng tự do trung bình thì hiện tƣợng dập tắt

không còn nữa mà dao động sẽ lan truyền trên bề mặt kim loại và điện tử sẽ dao

động cộng hƣởng với ánh sáng kích thích nếu tần số của sóng ánh sáng tới trùng với

tần số dao động riêng của hệ điện tử. Do vậy, sự dao động tập thể của các điện tử

dẫn khi tƣơng tác với sóng ánh sáng đã tạo ra một hiệu ứng quang đặc biệt của các

cấu trúc nano kim loại gọi là plasmon polariton bề mặt – surface plasmon polariton.

10

1.1.1. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface plasmon resonance -

SPR)

Plasmon polariton bề mặt (SPP) là dao động của điện tử tự do ở bề mặt của

kim loại dƣới kích thích của ánh sáng tới. Hiện tƣợng tất cả các điện tử dẫn trên bề

mặt kim loại đƣợc kích thích đồng thời tạo thành một dao động đồng pha đƣợc gọi

là hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt và sóng plasmon lan truyền trên biên

phân cách giữa hai môi trƣờng có hàm điện môi trái dấu (ví dụ kim loại với điện

môi) hoặc bức xạ ra không gian tự do trong điều kiện thích hợp. Hình 1.1 minh họa

sự tạo thành dao động plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại. Điện trƣờng của

sóng ánh sáng tới tạo nên phân cực của các điện tử dẫn đối với lõi ion nặng của một

hạt nano cầu. Sự chênh lệch điện tích thực tế ở các biên của hạt nano hoạt động nhƣ

lực hồi phục (restoring force), tạo nên một dao động lƣỡng cực của các điện tử với

chu kỳ T. Các mode cao hơn của kích thích plasmon có thể xuất hiện nhƣ là mode

tứ cực - khi một nửa đám mây điện tử di chuyển song song và một nửa di chuyển

không song song với trƣờng định xứ.

Hình 1.1. Sự tạo thành dao động plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại [103]

Có thể thấy là plasmon bề mặt (SP) là các mode liên kết của trƣờng điện từ

của ánh sáng tới với các điện tử tự do trong kim loại. Chúng có thể đƣợc xem nhƣ

ánh sáng hai chiều bị ràng buộc bởi một mặt phân cách kim loại – điện môi, trƣờng

SP có cƣờng độ lớn nhất ở mặt phân cách và suy giảm theo hàm mũ ở các hƣớng

vuông góc với bề mặt [102,125]. Các sóng plasmon đƣợc tạo ra trên bề mặt các hạt

Điện trƣờng

Từ

trƣờng Quả cầu

kim loại Đám mây điện tử

11

nano kim loại sẽ bị giam trên đó do kích thƣớc của hạt và đƣợc gọi là plasmon bề

mặt định xứ (localized surface plasmon - LSP)

Phần lớn các kim loại nhƣ Pb, Ln, Hg, Sn và Cd có tần số dao động plasmon

nằm trong vùng tử ngoại nên các vật liệu nano đó không có các hiệu ứng về màu

sắc. Các kim loại nhƣ Au, Ag, và Cu có tần số plasmon nằm trong vùng nhìn thấy

nên vật liệu nano của chúng có các hiệu ứng về màu. Màu sắc của các dung dịch

keo kim loại là kết quả của sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng bởi các plasmon bề mặt.

Tính chất quang của các cấu trúc nano kim loại đƣợc lý giải bởi lý thuyết của Mie

và Gans.

1.1.2. Lý thuyết Mie – sự phụ thuộc của tính chất quang vào kích thước hạt

Để giải thích đƣợc các tính chất quang của các hạt nano kim loại, Mie đã

giải bài toán tán xạ của sóng điện từ trên một hạt cầu kim loại với giả thiết là các hạt

và môi trƣờng xung quanh nó là đồng nhất và đƣợc mô tả bằng các hàm điện môi

quang học khối bằng cách sử dụng các phƣơng trình Maxwell với điều kiện biên

thích hợp trong tọa độ cầu. Điều kiện biên đƣợc xác định bởi tính gián đoạn rõ nét

của mật độ điện tử tại bề mặt của hạt bán kính R. Kích thƣớc hạt, các hàm quang

học của hạt và hàm điện môi của môi trƣờng xung quanh đƣợc sử dụng nhƣ là các

thông số đầu vào.

Khi kích thƣớc của hạt cầu nhỏ hơn nhiều so với bƣớc sóng ánh sáng (2R <<

), điện trƣờng của ánh sáng có thể đƣợc coi là không đổi và tƣơng tác bị chi phối

bởi trƣờng tĩnh điện hơn là điện động lực học. Khi đó, plasmon của một hạt nano

kim loại đƣợc xem là một dao động lƣỡng cực có tần số plasmon phụ thuộc vào

hằng số điện môi của chúng. Do hằng số điện môi của hạt kim loại và m của môi

trƣờng xung quanh phụ thuộc vào bƣớc sóng, nên trong trƣờng hợp này ngƣời ta gọi

là gần đúng giả tĩnh (quasi-static). Trong chế độ giả tĩnh, các dịch chuyển pha hay

các hiệu ứng trễ của trƣờng điện động là không đáng kể, trƣờng điện từ trong hạt là

đồng nhất. Nếu 2R >> , trƣờng điện từ trong hạt là không đồng nhất, sẽ có sự dịch

pha dẫn tới kích thích dao động đa cực.

12

Kết quả là lý thuyết này đã tìm ra đƣợc tiết diện dập tắt (extinction), bao gồm

cả tiết diện hấp thụ và tiết diện tán xạ của hạt nhƣ sau [110, 125]:

ext j j2

j = 1

2σ = 2j + 1 Re a + b

x

(1.1)

2 2

sca j j2

j = 1

2σ = 2j + 1 a b

x

(1.2)

abs = ext - sca (1.3)

Với m

2πRnx =

ω đƣợc cho bởi:

m2πRn

x = ω

(1.4)

Trong đó R là bán kính hạt, là tần số góc của ánh sáng tới trong chân không,

aj và bj là các hệ số tán xạ, nm là chiết suất thực của môi trƣờng xung quanh. Trong

các biểu thức này, j là chỉ số tổng hợp của các sóng từng phần: j = 1 tƣơng ứng với

dao động lƣỡng cực, j = 2 tƣơng ứng với dao động tứ cực…

Khi kích thƣớc hạt rất nhỏ hơn so với bƣớc sóng của ánh sáng kích thích 2R

<< (với R là bán kính hạt và là bƣớc sóng của ánh sáng trong môi trƣờng), thì

dao động của điện tử đƣợc xem là dao động lƣỡng cực và tiết diện dập tắt đƣợc viết

dƣới dạng đơn giản [15]:

23/2

ext m 2 2

1 m 2

ε ωωσ = 9 ε V

c ε ω + 2ε + ε ω

(1.5)

Trong đó V = (4/3)R3 là thể tích hạt cầu, c là vận tốc ánh sáng, là tần số

góc của ánh sáng kích thích, m là hằng số điện môi của môi trƣờng quanh hạt và

() = 1() + i2() là hàm điện môi của hạt. Ở đây, m đƣợc coi là không phụ

thuộc tần số của ánh sáng tới, còn () là một hàm phức của năng lƣợng. Hiện

tƣợng cộng hƣởng plasmon xảy ra khi 1() = -2m nếu 2 là nhỏ và phụ thuộc yếu

vào . Điều này có nghĩa là tiết diện dập tắt của hạt lớn nhất khi ánh sáng truyền

toàn bộ năng lƣợng của nó cho hạt để kích thích plasmon. Có thể chia sự đóng góp

13

vào hằng số điện môi thành hai phần: một là từ sự chuyển tiếp liên vùng

và hai là sự chuyển tiếp trong vùng () bao gồm hiệu ứng bề mặt [54]:

1() = () +

() (1.6)

2() = () +

() (1.7)

Trong đó () có thể đƣợc tính toán theo mô hình Drude cho điện tử

gần tự do[54]:

() = 1 -

(1.8)

() = 1 -

(1.9)

Với p là tần số plasmon khối, là hệ số suy hao liên quan đến độ rộng phổ

cộng hƣởng plasmon. Đối với Au, sự phụ thuộc của độ rộng phổ cộng hƣởng

plasmon có thể đƣợc cho bởi công thức [54]:

RR F

o

)(

(1.10)

Trong đó, (R) là hệ số suy hao, 0 là tần số dao động tắt dần của các điện tử

tự do trong kim loại khối, υF là vận tốc Fermi của điện tử, là tham số phụ thuộc

vào chi tiết các quá trình tán xạ [83]. Đối với hạt nano kim loại Au, 0 = 4.4* 1014

Hz, υF =1.4 *108 cm/s, =0.43.

Từ lý thuyết Mie ngƣời ta có thể tính đƣợc tán xạ sca và tiết diện hấp thụ,

của một hạt nhƣ sau [102]:

2

64

3

512

m

mRk

(1.11)

abs = 32πk Im*

+ (1.12)

Trong đó, k là số sóng, R là bán kính hạt.

14

Công thức (1.11) và (1.12) cho thấy tiết diện tán xạ của một hạt tỉ lệ với

trong khi tiết diện hấp thụ tỉ lệ với R3. Vì vậy khi kích thƣớc hạt nhỏ thì hiệu suất

tán xạ nhỏ hơn so với hiệu suất hấp thụ.

Độ hấp thụ A của một mẫu gồm các hạt nano phân tán trong một môi trƣờng

đồng nhất đƣợc cho bởi:

=

(1.13)

trong đó ext là hệ số dập tắt của mẫu tại bƣớc sóng và N số hạt trong một lít, l

là độ dày của môi trƣờng hấp thụ (cm).

Ngoài ra ngƣời ta còn sử dụng mối liên hệ giữa tiết diện tán xạ (tiết diện dập

tắt, tiết diện hấp thụ) với hiệu suất tán xạ Qsca, hiệu suất dập tắt Qext, hiệu suất hấp

thụ Qabs trong plasmon bề mặt theo các biểu thức [102]:

sca

scaQ =

S

, ext

ext

σQ =

S,

abs

abs

σQ =

S (1.14)

trong đó S là diện tích mặt cắt của hạt cầu S = R2, R là bán kính hạt cầu.

Các kết quả của lý thuyết Mie đã đƣợc sử dụng rộng rãi để giải thích phổ hấp

thụ của các hạt nano kim loại cả về định tính cũng nhƣ định lƣợng, cho thấy mối

quan hệ giữa các đặc tính quang của các hạt nano kim loại với kích thƣớc của

chúng. Có thể đƣa ra một bức tranh tổng quát về sự phụ thuộc này nhƣ sau:

(i) Trƣờng hợp kích thƣớc hạt nhỏ hơn nhiều so với quãng đƣờng tự do trung

bình của điện tử dẫn (đối với vàng, quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử

khoảng 20 - 30 nm): va chạm của điện tử với bề mặt hạt càng trở nên quan trọng và

mất tính đồng pha nhanh hơn là đối với hạt có kích thƣớc lớn hơn. Do đó, độ rộng

phổ plasmon tăng khi bán kính của hạt giảm. Sự mở rộng phổ plasmon của hạt nano

kim loại kích thƣớc nhỏ thể hiện qua công thức (1.10). Có thể biểu diễn mối quan

hệ đó thông qua đồ thị hình 1.2.

15

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

5x1014

6x1014

7x1014

8x1014

9x1014

(H

z)

B¸n kÝnh R (nm)

Hình 1.2. Sự phụ thuộc của hệ số suy hao của hạt nano vàng vào kích thước hạt.

Theo đó, R càng nhỏ thì hệ số suy hao (R) do va chạm càng lớn, phổ plasmon

càng đƣợc mở rộng [89].

(ii) Trƣờng hợp kích thƣớc hạt nano kim loại d << (10 nm < d < 20nm đối

với vàng): Sự tƣơng tác của ánh sáng với hạt nano kim loại đƣợc xem nhƣ tƣơng tác

của trƣờng tĩnh điện với một lƣỡng cực điện. Phổ hấp thụ cộng hƣởng plasmon có

một đỉnh duy nhất.

(iii) Trƣờng hợp kích thƣớc hạt nano vàng lớn: Các hạt càng lớn, các mode bậc

cao hơn càng trở nên quan trọng hơn do ánh sáng không thể phân cực các hạt nano

một cách đồng nhất, dẫn tới kích thích dao động đa cực. Phổ cộng hƣởng plasmon

là sự chồng chập của các dao động lƣỡng cực và các dao động đa cực bậc cao hơn

và kết quả là gây ra sự mở rộng phổ lớn, thậm chí xuất hiện các đỉnh phổ mới ở phía

sóng dài do các mode bậc cao có đỉnh ở năng lƣợng thấp hơn. Thông thƣờng, dải

plasmon dịch về đỏ với sự tăng kích thƣớc hạt.

16

Hình 1.3. Phổ hấp thụ của các dung dịch nano vàng cầu phụ thuộc vào kích thước

hạt [79]

Hình 1.3 là phổ hấp thụ plasmon chuẩn hóa của các dung dịch nano vàng với

các kích thƣớc khác nhau. Khi kích thƣớc hạt nằm trong khoảng từ 20 nm đến

100nm thì phổ plasmon có một đỉnh cộng hƣởng, tƣơng ứng với cộng hƣởng dao

động của lƣỡng cực. Đỉnh này dịch đỏ đồng thời độ rộng phổ plasmon tăng khi

kích thƣớc hạt tăng. Với các hạt nano có đƣờng kính lớn (trên 150 nm), trong phổ

hấp thụ plasmon xuất hiện hai đỉnh hấp thụ với độ bán rộng của phổ lớn và tăng

dần với sự tăng kích thƣớc của hạt. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với mối quan

hệ giữa các đặc tính quang của các hạt nano kim loại với kích thƣớc của chúng đã

nêu ở trên.

1.1.3. Đặc trưng quang học của các cấu trúc nano vàng

Các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết đã cho thấy cấu trúc của các nano

kim loại nói chung và nano vàng nói riêng có ảnh hƣởng rất lớn đến cộng hƣởng

plasmon bề mặt của chúng. Nhiều nano kim loại có cấu trúc đa diện nhƣ hình thập

17

diện, hình lập phƣơng tâm khối…gần đây đã đƣợc nghiên cứu và nhìn chung chúng

đều có các phổ cộng hƣởng plasmon bề mặt đặc trƣng [54, 89].

1.1.3.1. Hạt nano vàng dạng cầu

Do có hiệu ứng cộng hƣởng plasmon bề mặt, tiết diện dập tắt (bao gồm tiết

diện tán xạ và tiết diện hấp thụ) của hạt nano vàng lớn hơn đáng kể tiết dập tắt của

tâm mầu thƣờng dùng trong hiện ảnh sinh học. Lý thuyết Mie đánh giá rằng tiết

diện quang của các hạt nano vàng cầu cao hơn khoảng 4-6 bậc so với tiết diện

quang của các phân tử mầu thông thƣờng [88]. Chẳng hạn nhƣ, các hạt nano vàng

dạng cầu với đƣờng kính 40 nm có tiết diện hấp thụ 2,93 10-15

m2 (tƣơng ứng với

hệ số hấp thụ mol khoảng ~7,7 109

M-1

cm-1

) ở bƣớc sóng 530 nm, 4 bậc cao hơn

hệ số dập tắt của Rhodamine 6G M-1

cm-1

ở 530 nm và malachite green

M-1

cm-1

ở 617 nm. Tiết diện tán xạ trong vùng nhìn thấy của hạt vàng

80 nm (sca~ 1,2 m2

ở 560 nm) là tƣơng đƣơng với tiết diện tán xạ từ hạt vi

cầu polystyrene với đƣờng kính 300 nm (sca~ 1,8 m2) ở cùng bƣớc sóng ánh

sáng và cao hơn 5 bậc so với số photon do fluorescein phát ra đối với cùng một

cƣờng độ ánh sáng kích thích [101].

5102,1

5105,1

1410

1410

18

Hình 1.4. Tính toán các hiệu suất hấp thụ Qabs (đường gạch đỏ), hiệu suất tán xạ

Qsca (đường chấm đen), và hiệu suất dập tắt Q (đường liền màu xanh) cho các hạt

cầu nano vàng (a) D = 20 nm, (b) D = 40 nm, (c) D = 80 nm, và (d) polystyrene

nanospheres D = 300 nm [101]

Nhƣ đã phân tích trong mục 1.1.2, các tính chất hấp thụ và tán xạ của hạt

nano vàng có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thƣớc và hình dạng của chúng.

Hình 1.4 biểu diễn phổ dập tắt, hấp thụ và tán xạ tính theo lý thuyết Mie của các hạt

nano vàng với các kích thƣớc khác nhau. Hạt vàng đƣờng kính 20 nm thể hiện hiệu

ứng hấp thụ cộng hƣởng plasmon bề mặt là chủ yếu với phần ánh sáng tán xạ không

đáng kể. Nhƣng khi đƣờng kính của hạt tăng từ 20 nm lên 80 nm, tỷ lệ đóng góp

của tán xạ plasmon bề mặt tăng lên đáng kể. Sự tăng nhƣ vậy của hệ số tán xạ tạo ra

một công cụ để lựa chọn các hạt nano cho các ứng dụng thực tế: các hạt có kích

19

thƣớc lớn thích hợp với các ứng dụng hiện ảnh trên cơ sở tán xạ ánh sáng. Tùy

thuộc vào mục đích ứng dụng mà các hạt nano vàng cầu với các kích thƣớc thích

hợp sẽ đƣợc lựa chọn.

1.1.3.2. Thanh nano vàng – Lý thuyết Gans

Thanh nano vàng đƣợc khảo sát trong trƣờng hợp có dạng hình trụ với hai đầu

là hai bán cầu. Đó là trƣờng hợp phổ biến để chỉ rõ hình dạng, kích thƣớc và thể

tích bất kỳ với bán kính hiệu dụng đƣợc cho bởi:

1

334eff

Vr

(1.15)

trong đó, V là thể tích thanh nano ( ), R1, R2 tƣơng ứng là bán trục ngắn

và bán trục dài của thanh nano.

Các tính chất quang của các hạt nano kim loại phụ thuộc vào hình dạng có thể

đƣợc giải bằng lý thuyết Mie với các hiệu chỉnh theo lý thuyết của Gans. Lý thuyết

Gans dự đoán rằng sẽ xảy ra sự thay đổi trong cộng hƣởng plasmon bề mặt khi các

hạt đi chệch khỏi dạng hình cầu [112, 125]. Đối với thanh nano vàng, khả năng

phân cực lƣỡng cực của điện tử theo chiều ngang và theo chiều dọc không còn

tƣơng đƣơng. Do đó xuất hiện hai cộng hƣởng plasmon: một cộng hƣởng plasmon

theo chiều dọc tƣơng ứng với dao động của các điện tử tự do dọc theo trục dài của

thanh và một cộng hƣởng plasmon theo chiều ngang tƣơng ứng với dao động của

các điện tử tự do theo phƣơng vuông góc với trục dài của thanh nano (hình 1.5).

Hình 1.5. Sự phân bố điện tích trên một thanh nano dưới kích thích của ánh sáng tới

20

Phổ hấp thụ của các thanh nano vàng với tỷ lệ tƣơng quan AR = R2/R1 đƣợc

Gans tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết Mie với gần đúng lƣỡng cực [85]. Tiết diện

dập tắt ext đƣợc biểu diễn bởi phƣơng trình:

2 23 j

2ext m 2

jj 2

1 m 2j

1 εPω

σ = ε V 3c

1-Pε + ε + ε

P

(1.16)

trong đó Pj là các thừa số khử cực dọc theo ba trục A, B và C của thanh nano, với A

> B = C, đƣợc xác định khi

2

A 2

1 - e 1 1 + eP = ln - 1

e 2e 1 - e

(1.17)

A

B C

1 - PP = P =

2 (1.18)

Và e đƣợc xác định thông qua tỷ lệ tƣơng quan AR nhƣ sau

2/1

2

2/12

111

ARA

Be (1.19)

Hình 1.6 minh họa tính chất quang của các thanh nano vàng phụ thuộc vào tỉ

lệ các cạnh của thanh. Phổ UV-Vis của các thanh nano vàng có 2 đỉnh hấp thụ đặc

trƣng: một đỉnh tƣơng ứng với dao động cộng hƣởng plasmon theo chiều ngang của

thanh (TSPR) nằm xung quanh bƣớc sóng 520 nm có cƣờng độ yếu, gần nhƣ không

thay đổi với tỷ lệ tƣơng quan giữa hai trục và trùng với cộng hƣởng plasmon của hạt

nano cầu có cùng kích thƣớc với chiều ngang của thanh; một đỉnh ở năng lƣợng

thấp hơn 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 cạnh của thanh [14,15,85]. Cực đại dải cộng hƣởng plasmon theo trục dài của

thanh dịch mạnh về phía đỏ khi tỷ lệ tƣơng quan AR tăng từ 2.4 đến 6.6 (hình

21

1.6C). Đồng thời, màu sắc tán xạ của các dung dịch chứa các thanh nano vàng thay

đổi với tỉ lệ tƣơng quan giữa các cạnh của thanh (hình 1.6B).

Hình 1.6. Đặc tính quang của nano vàng dạng thanh phụ thuộc vào tỉ lệ các cạnh

của thanh. Ảnh TEM của các thanh nano vàng với tỉ lệ các cạnh khác nhau (A); Sự

phụ thuộc của màu sắc tán xạ vào tỉ lệ các cạnh (B); Phổ dập tắt đã chuẩn hóa thể

hiện sự dịch đỉnh cộng hưởng plasmon về phía sóng dài khi tỉ lệ các cạnh của thanh

(AR) tăng (C)[38, 65].

Một tính chất rất đáng chú ý và có nhiều ứng dụng của các cấu trúc nano

vàng nói chung và các thanh nano vàng nói riêng là tần số của cộng hƣởng plasmon

bề mặt rất nhạy với hằng số điện môi hay chiết suất của môi trƣờng xung quanh

chúng. Hiện tƣợng này đƣợc sử dụng trong các sensor sinh học ghi nhận những thay

đổi của bƣớc sóng cộng hƣởng plasmon xuất hiện khi có một thay đổi do thêm hoặc

bớt một liên kết trên bề mặt của các hạt Au, Ag. Các plasmon của các hạt nano này

22

cũng dịch về phía sóng dài khi có hiện tƣợng tự tập hợp hoặc tụ đám. Trong trƣờng

hợp các thanh nano vàng, cộng hƣởng plasmon bề mặt dịch về phía sóng dài với sự

tăng chiết suất của môi trƣờng. Sự thay đổi đỉnh cộng hƣởng plasmon theo chiều

dọc của thanh nano vàng phụ thuộc chiết suất môi trƣờng theo công thức [68]:

l

d

emn

2

max1..

(1.20)

Trong đó, n là độ thay đổi chiết suất trên bề mặt hạt, max là sự dịch của

đỉnh hấp thụ plasmon theo chiều dọc của thanh, m là hệ số phụ thuộc chiết suất có

thể đƣợc xem là hàm của chiều dài của thanh (với thanh dài khoảng 35nm thì m ~

260nm/RIU) (RIU - refractive index units), d là độ dày của lớp chất hấp thụ trên bề

mặt hạt, l là chiều dài phân rã điện từ, đƣợc xem là hàm đối với kích thƣớc của

thanh (với thanh kích thƣớc 2 chiều là 10-35nm thì l ~10nm) [68]. Sự phụ thuộc

tính chất quang của thanh nano vàng vào chiết suất môi trƣờng đƣợc đƣa ra trong

hình 1.10. Các tính toán đƣợc thực hiện với các thông số đầu vào là AR = 4.0,

đƣờng kính chiều ngang của hạt bằng 10 nm, và hằng số điện môi của môi trƣờng

thay đổi với hai giá trị m = 1.875; m = 2.105.

400 600 800 1000 12000

1000

2000

3000

4000

§é

dËp

t¾t

(a.

u)

B­íc sãng (nm)

AR=4.0

m=1.875 m=2.105

Hình 1.7. Sự phụ thuộc tính chất quang của thanh nano vàng vào chiết suất

môi trường

23

1.1.3.3. Hạt nano cấu trúc lõi /vỏ silica/vàng (SiO2/Au)

Hạt nano cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au gồm lõi là hạt nano silica và lớp vỏ vàng có

độ dầy nano mét.

Hình 1.8. Cấu trúc nano lõi/vỏ silica/vàng

Các hạt cấu trúc lõi/vỏ đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác

nhau là do chúng có các đặc tính quang nổi trội: tiết diện dập tắt lớn, có thể điều

khiển đƣợc phổ hấp thụ plasmon một cách linh hoạt bằng cách thay đổi tỉ lệ tƣơng

quan giữa độ dày lõi và độ dày lớp vỏ...

Các đặc tính quang học này chủ yếu là do hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề

mặt. Các tính chất quang của các cấu trúc nano lõi vỏ nói chung và của SiO2/Au nói

riêng là do sự hoạt động của các điện tử trên bề mặt lớp vỏ kim loại đem lại khi

đƣợc kích thích bởi sóng điện từ (hiệu ứng cộng hƣởng plasmon bề mặt). Tính chất

quang của các hạt SiO2/Au đƣợc giải thích dựa trên mô hình lai (hình 1.9): plasmon

đƣợc kích thích trên hạt SiO2/Au có thể đƣợc xem nhƣ sự tƣơng tác giữa một hạt

nano cầu đặc và một hạt nano cầu rỗng. Độ lớn của lực tƣơng tác giữa các hạt nano

đặc và hạt nano rỗng phụ thuộc vào độ dày của lớp vỏ. Tƣơng tác là yếu trong

trƣờng hợp lớp vỏ dày và tƣơng tác mạnh trong trƣờng hợp lớp vỏ mỏng. Vì tồn tại

hai plasmon cộng hƣởng của các quả cầu đặc và rỗng nên có thể xem hiệu ứng

plasmon cộng hƣởng của hạt SiO2/Au là kết quả của sự tƣơng tác giữa 2 nguyên tử,

24

lai với nhau tạo thành hai mode: mode liên kết với năng lƣợng thấp hơn và phản

liên kết với năng lƣợng cao hơn (hình 1.9).

Hình 1.9. Mô hình lai mô tả sự tương tác giữa hạt nano cầu đặc và hạt nano cầu

rỗng [60]

Các tần số cộng hƣởng plasmon đƣợc xác định nhƣ sau [60]

[

√

] ( 1.21)

Trong đó: R1 là bán kính lõi, R2 là bán kính vỏ, n là thứ tự của sóng hình cầu,

p tần số plasmon khối, + là tần số cộng hƣởng plasmon ứng với mode phản liên

kết, - là tần số cộng hƣởng plasmon ứng với mode liên kết. Ta thấy tần số cộng

hƣởng plasmon n phụ thuộc vào tỷ lệ lõi – vỏ của hạt. Vì vậy muốn tạo ra đƣợc

bƣớc sóng hấp thụ plasmon nằm trong vùng hồng ngoại gần ta phải điều chỉnh n

hay chính là điều chỉnh tỷ lệ lõi – vỏ của hạt.

Đặc tính quan trọng nhất của các cấu trúc lõi/vỏ là có thể điều khiển đƣợc tính

chất quang của chúng. Vị trí của đỉnh trong phổ dập tắt cộng hƣởng plasmon phụ

thuộc vào tỉ lệ tƣơng đối của bán kính lõi (R1)và bề dày vỏ(d): Tỷ lệ lõi/vỏ càng lớn

thì đỉnh phổ dập tắt càng dịch về phía sóng dài. Đối với cấu trúc lõi/vỏ vàng vị trí

đỉnh phổ dập tắt có thể dịch chuyển trong khoảng từ 600nm-1000nm. Phạm vi của

25

bƣớc sóng này đặc biệt quan trọng vì nó chứa dải bƣớc sóng từ 700-900nm, là vùng

cửa sổ quang học của da và mô ngƣời. Độ xuyên sâu có thể từ một vài mm đến vài

cm phụ thuộc vào từng loại mô [101]. Vì vậy, việc điều khiển để các cấu trúc lõi/vỏ

có bƣớc sóng đỉnh phổ dập tắt nằm trong vùng hồng ngoại gần đem lại nhiều ứng

dụng in vivo.

Hình 1.10. Sự thay đổi cộng hưởng plasmon của các cấu trúc lõi silica vỏ vàng

theo độ dày lớp vỏ [60].

Hình 1.10 là phổ hấp thụ cộng hƣởng plasmon của các cấu trúc lõi/ vỏ với lớp vỏ

vàng có độ dày thay đổi là 5, 10, 15 và 20 nm trên một hạt lõi silica bán kính 60 nm.

Trên cùng một hạt lõi, lớp vỏ càng mỏng thì đỉnh hấp thụ plasmon càng dịch về

phía sóng dài.

Wu et.al đã chỉ ra rằng tiết diện hấp thụ của một cấu trúc lõi/vỏ đƣờng kính

20nm tƣơng đƣơng với tiết diện hấp thụ của 40000 phân tử màu indocyanine [116].

Một hạt cấu trúc lõi/vỏ kích thƣớc 130nm có tiết diện tắt (3.8 × 1 0-14

m2) lớn gấp

hàng triệu lần tiết diện tắt (1.66 × 10-20

m2)

của phân tử màu nói trên [98].

Đối với hạt nhỏ hấp thụ chiếm ƣu thế hơn tán xạ, trong khi các hạt lớn hơn thì

ngƣợc lại. Có thể điều khiển kích thƣớc hạt cũng nhƣ tỉ lệ lõi/vỏ để hai quá trình đó

đóng góp vào hệ số dập tắt là gần nhƣ nhau (hình 1.11). Khi đó cấu trúc lõi silica vỏ

vàng có thể đƣợc đƣa vào trong các ứng dụng vừa hiện ảnh vừa điều trị bằng quang

nhiệt, trong đó hiệu suất tán xạ cao là cơ sở để cho ứng dụng hiện ảnh và hiệu suất

26

hấp thụ cao là cơ sở cho ứng dụng bằng liệu pháp quang nhiệt. Đây là một thuộc

tính rất quan trọng của loại cấu trúc này.

Hình 1.11. Hệ số hấp thụ (đường liền) và hệ số tán xạ (đường gạch) được tính toán

theo lý thuyết Mie cho hạt cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au với tỉ lệ lõi/vỏ không đổi 0.8. Với

hạt có bán kính lõi 40 nm, bán kính lớp vỏ là 50nm, hiệu suất hấp thụ và tán xạ là

như nhau [14].

So sánh tính chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và

dạng lõi/vỏ thông qua các hiệu suất hấp thụ, tán xạ và dập tắt nhƣ trên hình (1.12).

Hình 1.12. Tính toán hiệu suất dập tắt (đường trên cùng), hấp thụ (đường ở giữa),

tán xạ (đường dưới cùng) của: a.hạt nano vàng dạng cầu đường kính 80nm, b. cấu

trúc lõi/vỏ vàng bán kính 70nm với lõi silica bán kính 60nm, c. thanh nano vàng

59,6 x 13,5nm [14].

27

Hình 1.12 cho thấy tại bƣớc sóng 800 nm, tiết diện dập tắt của các hạt nano

vàng dạng cầu rất nhỏ (gần nhƣ bằng 0), trong khi đó tiết diện tắt của cấu trúc lõi vỏ

và thanh nano vàng lớn hơn rất nhiều. Các thanh nano vàng có tiết diện tắt lớn hơn

gấp 3 lần so với các cấu trúc lõi/vỏ tại cùng bƣớc sóng 800 nm. Một nhận xét nữa là

trong vùng ánh sáng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại gần thì cấu trúc lõi/vỏ vừa có

khả năng tán xạ vừa có khả năng hấp thụ ánh sáng. Trong khi đó, các thanh nano

vàng thì chủ yếu là hấp thụ ánh sáng.

Điều này cho thấy khả năng ứng dụng của các cấu trúc nano vàng trong y

sinh nhƣ sau: i) các cấu trúc nano vàng với khả năng tƣơng thích sinh học cao đều

có thể sử dụng để dẫn thuốc, dẫn các phân tử sinh học hoặc làm các cảm biến sinh

học... với các ứng dụng đơn chức năng này các hạt nano vàng dạng cầu thƣờng hay

đƣợc sử dụng; ii) các cấu trúc nano lõi/vỏ có khả năng tán xạ và hấp thụ mạnh ánh

sáng trong vùng khả kiến đến hồng ngoại gần nên có thể đƣợc sử dụng cho các ứng

dụng đa phƣơng thức: vừa hiện ảnh tế bào dựa trên ảnh tán xạ và vừa diệt tế bào

dựa trên hiệu ứng quang nhiệt; iii) các thanh nano vàng với khả năng hấp thụ mạnh

ánh sáng trong vùng hồng ngoại gần (hiệu suất hấp thụ cao hơn cấu trúc lõi/vỏ), hơn

nữa với kích thƣớc nhỏ hơn cấu trúc lõi/vỏ sẽ có lợi thế hơn hẳn trong việc tiêu diệt

tế bào bằng hiệu ứng chuyển đổi quang nhiệt.

1.2. Các phƣơng pháp chế tạo cấu trúc nano vàng

Các cấu trúc nano vàng nói chung và nano vàng cầu nói riêng đang ngày càng

đƣợc quan tâm và đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, tùy thuộc vào kích

thƣớc, hình dạng của chúng. Cho đến nay, đã có nhiều phƣơng pháp khác nhau để

chế tạo các hạt nano vàng, nhƣng mỗi một phƣơng pháp chỉ tối ƣu cho việc tổng

hợp các hạt trong một phạm vi kích thƣớc và hình dạng nhất định.

Đối với các hạt nano kim loại nói chung và nano vàng nói riêng thì phƣơng

pháp đƣợc dùng để tổng hợp hạt thƣờng là phƣơng pháp từ dƣới lên (bottom –up)

với một nguyên tắc chung là dùng tác nhân khử để đƣa ion Au3+

thành nguyên tử

28

Au, các nguyên tử này kết hợp với nhau theo những cơ chế nhất định để hình thành

nên các hạt nano vàng khi dung dịch trở nên siêu bão hòa bởi các nguyên tử vàng.

HAuCl4 + tác nhân khử Au cấu trúc nano vàng

Có rất nhiều các phƣơng pháp khác nhau đƣợc phát triển dựa trên cùng

nguyên tắc tổng hợp này. Căn cứ vào tác nhân khử, có thể chia thành 4 nhóm

phƣơng pháp cơ bản sau: phƣơng pháp khử hóa học; phƣơng pháp khử vật lí;

phƣơng pháp khử hóa lí và phƣơng pháp khử sinh học. Trong các nhóm phƣơng

pháp đó thì nhóm phƣơng pháp khử hóa học hiệu quả, đơn giản, kinh tế hơn cả.

Trên cơ sở nghiên cứu cơ chế của các phƣơng pháp tổng hợp hạt nano vàng bằng

phƣơng pháp khử hóa học, chúng tôi phân thành hai nhánh phƣơng pháp tổng hợp

khác nhau: tổng hợp trực tiếp [20, 112] và tổng hợp từ hạt mầm (phƣơng pháp nuôi

mầm) [97, 115].

1.2.1. Phương pháp nuôi mầm

Phƣơng pháp nuôi mầm là phƣơng pháp tổng hợp các vật liệu dựa trên

nguyên lý phát triển các hạt nano vàng nhỏ thành các hạt có kích thƣớc lớn hơn

bằng phản ứng khử muối vàng trong môi trƣờng có các hạt vàng nhỏ (hạt vàng

mầm). Nguyên lý của phƣơng pháp nuôi mầm đƣợc trình bày nhƣ trong hình (1.13).

Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp nuôi mầm

Bƣớc đầu tiên là chế tạo các hạt vàng nhỏ kích thƣớc vài nanomet làm mầm.

Sau đó, các hạt mầm đƣợc đƣa vào trong một dung dịch nuôi có chứa các ion Au3+

và chất khử. Chất khử khử các ion Au3+

trong dung dịch thành các nguyên tử Au0.

Các nguyên tử này sẽ gắn kết với hạt mầm để tạo thành hạt lớn hơn. Nếu quá trình

29

phát triển là đẳng hƣớng thì các cấu trúc cầu đƣợc tạo thành, còn quá trình phát

triển bất đẳng hƣớng thì tạo thành các cấu trúc nano dạng không cầu.

Phƣơng pháp này có ƣu điểm là :

- Tổng hợp ở nhiệt độ phòng

- Dễ điều khiển kích thƣớc hạt

- Kích thƣớc đồng đều và ít sản phẩm phụ

Tuy nhiên để có đƣợc những kết quả đó phƣơng pháp này yêu cầu:

- Cần tạo đƣợc mầm có chất lƣợng tốt: đơn phân tán, đồng đều về hình dạng

và kích thƣớc.

- Cần có dung dịch nuôi phù hợp để kiểm soát quá trình phát triển của hạt mầm.

1.2.1.1. Cơ chế hình thành và phát triển hạt nano vàng bằng phương pháp nuôi mầm

Việc điều khiển kích thƣớc và hình dạng của hạt có thể đƣợc thực hiện thông

qua những hiểu biết về nhiệt động lực học, động học và cân bằng hóa học.

Hình 1.14. Các thay đổi trong các nồng độ nguyên tử của các phần tử phát triển trong

dung dịch như một hàm theo thời gian I) giai đoạn sinh ra các nguyên tử II) giai đoạn

tạo hạt nhân và III) giai đoạn hình thành và phát triển hạt mầm [86, 119]

30

Trong nhiều năm trở lại đây, việc kiểm soát hình thái của các tinh thể nano

kim loại dạng keo đã đƣợc hiểu biết chủ yếu dựa vào lý thuyết hình thành hạt nhân

và phát tiển hạt nhân từ nguyên tử. Các nguyên tử này là các phần tử cơ bản cho

quá trình hình thành và phát triển của hạt nhân. Các quá trình này có thể đƣợc minh

họa nhƣ là sự tiến triển theo thời gian của nồng độ nguyên tử. Đồ thị diễn tả sự phụ

thuộc đó gọi là đƣờng LaMer đƣợc đặt theo tên ngƣời sáng lập La Mer và Dinegar

[64, 84]. Hình 1.14 trình bày đƣờng LaMer, chúng cho thấy sự thay đổi theo thời

gian của nồng độ nguyên tử trong dung dịch trong quá trình hình thành và phát triển

hạt nhân. Trong giai đoạn I, nồng độ các nguyên tử kim loại tăng lên do phản ứng

khử hoặc phản ứng phân hủy nhiệt của các hợp chất kim loại. Trong giai đoạn II,

quá trình hình thành hạt nhân bắt đầu xảy ra khi nồng độ của các ion nguyên tử vƣợt

quá điểm bão hòa ( ), đủ điều kiện cho các nguyên tử bắt đầu kết tụ lại với nhau

để hình thành nên các “đám” nhỏ ổn định, làm cho nồng độ của các nguyên tử giảm

mạnh xuống dƣới mức bão hòa ( ) và quá trình tạo hạt nhân dừng lại. Trong giai

đoạn III, kích thƣớc của các hạt nhân tăng do sự gắn kết của các nguyên tử kim loại

tiếp tục đƣợc tạo ra trong môi trƣờng. Trong giai đoạn này, khi “đám” đạt đến một

kích thƣớc nhất định mà tại kích thƣớc đó, năng lƣợng hoạt động cho sự thay đổi

cấu trúc trở nên quá cao đến mức mà sự phát triển của các “đám” bị hãm lại, hình

thành nên các cấu trúc xác định. Đây là điểm quan trọng đánh dấu sự ra đời của hạt

mầm. Hạt mầm này tiếp tục phát triển để tạo thành các tinh thể nano cuối cùng

thông qua việc nhận thêm các nguyên tử kim loại cho đến khi nồng độ nguyên tử

giảm tới giá trị Cs (nồng độ hòa tan của tinh thể nano).

Nhƣ vậy, theo cơ chế LaMer để tạo đƣợc các hạt mầm thì nồng độ tiền chất sử

dụng cao hơn giá trị , còn để duy trì quá trình phát triển hạt thì nồng độ các

nguyên tử trong dung dịch cần thấp hơn giá trị Cs.

Theo thuyết hạt nhân cổ điển, quá trình tạo hạt nhân đƣợc chia thành hai loại

[87]: quá trình tạo hạt nhân đồng nhất (homogeneous) và quá trình tạo hạt nhân

không đồng nhất (heterogeneous). Quá trình tạo hạt nhân không đồng nhất là quá

trình tạo hạt nhân xảy ra ở các vị trí trên bề mặt rắn tiếp xúc với chất lỏng hoặc chất

31

khí. Ví dụ, sự tạo hạt nhân không đồng nhất hình thành trên bề mặt các hạt mầm

trong dung dịch đƣợc sử dụng trong quá trình tạo hạt bằng phƣơng pháp nuôi mầm.

Ngƣợc lại, sự tạo hạt nhân đồng nhất xảy ra tự phát và ngẫu nhiên, nhƣng đòi hỏi

một trạng thái siêu tới hạn, chẳng hạn nhƣ có trạng thái siêu bão hòa của các nguyên

tử vàng.

1.2.1.2. Cơ chế ổn định keo của các hạt trong dung dịch

Một trong những yếu tố không thể thiếu đƣợc trong quá trình tạo hạt là các hạt

trong dung dịch phải đạt đƣợc sự ổn định cần thiết trong dung dịch mà chúng phân

tán. Sự ổn định của các hạt trong dung dịch đƣợc giải thích dựa vào hai cơ chế chủ

yếu là ổn định tĩnh điện và ổn định không gian.

i. Ổn định tĩnh điện

Lý thuyết DLVO đƣợc gọi theo tên các tác giả Derjaguin, Landau, Verwey và

Overbeek những ngƣời đã thành công trong mô tả sự ổn định tĩnh điện giữa các hạt

lân cận trong dung dịch keo [94]. Trong dung dịch, các ion hòa tan bao quanh các

hạt và che chắn bề mặt của chúng để tạo sự trung hòa về điện tích. Hai lớp điện tích

bề mặt hạt và điện tích các ion bao quanh đƣợc biết nhƣ lớp điện tích kép (electric

double layer-EDL), thế năng bề mặt giảm giữa hai lớp điện tích đó (hình 1.15). Lý

thuyết DLVO giả sử rằng tƣơng tác giữa hai hạt tích điện trong dung dịch keo là kết

quả sự tổ hợp của lực hấp dẫn Van der Waals và lực đẩy tĩnh điện sinh ra từ các lớp

điện tích kép lân cận [94].

Vtotal (D) = Va(D) + Vr(D)

Trong đó, Va(D) là thế năng hấp dẫn – thế năng Van der Waals và Vr (D) là

thế năng đẩy tĩnh điện giữa các lớp điện tích kép.

Hình 1.15. Sơ đồ minh họa cho sự ổn định tĩnh điện giữa hai hạt nano keo dạng cầu

32

Việc hình thành lớp điện tích kép sinh ra từ việc hấp phụ của các thành phần

tích điện trái dấu tại bề mặt hạt.

Hình 1.16. Thế năng tổng (V đường liền nét) biểu diễn sự kết hợp của các thế năng

hút Van der Waals và thế năng đẩy tĩnh điện (VA và VR, tương ứng) [94].

Hình 1.16 minh họa một đƣờng cong thế năng tổng (V, đƣờng liền nét) là tổng

của lực hấp dẫn Van der Waals (VA, đƣờng đứt nét) và lực đẩy tĩnh điện (VR, đƣờng

đứt nét) nhƣ là một hàm của khoảng cách giữa các hạt. Khi hai hạt xa nhau (khoảng

cách lớn), cả VA và VR tiến tới 0. Khi các hạt bắt đầu tiến lại gần nhau, lực đẩy tĩnh

điện trở nên mạnh hơn lực Van der Waals (VR > VA), khiến cho một sự tăng thế

tổng (V) với sự giảm khoảng cách cho tới khi đạt cực đại tại Vmax, giá trị này tƣơng

ứng với hàng rào thế năng đẩy. Khi khoảng cách giảm sâu hơn, giá trị tuyệt đối của

lực hấp dẫn Van der Waals lớn hơn lực đẩy tĩnh điện (VA>VR), và thế năng tổng do

VA quyết định, điều này khiến cho các hạt bị kết tụ lại. Nếu VMax > ~ 10 kT (k là

hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ), năng lƣợng va chạm từ chuyển động Brown sẽ

không lớn hơn VMax và sự kết tụ sẽ không đƣợc thực hiện. Nói cách khác, nếu VMax

< ~ 10 kT, sự kết tụ xảy ra và các hạt trong dung dịch không ổn định.

33

Tuy nhiên, cần lƣu ý rằng cơ chế ổn định tĩnh điện chỉ đƣợc áp dụng với dung

dịch pha loãng, độc lập với nồng độ của ion trong hệ keo, các hạt bị kết đám không

thể phân tán ngƣợc trở lại. Một ví dụ điển hình cho cơ chế này là sự ổn định của các

hạt keo vàng đƣợc chế tạo bởi Turkevich [112] và sau đó đƣợc cải tiến bởi Frens

[101]. Các hạt vàng tạo ra bằng phƣơng pháp này có bề mặt đƣợc bao phủ bởi các

anion citrate (điện tích âm), vì vậy đƣợc gọi là vàng citrate.

ii. Ổn định không gian

Ổn định không gian (steric stabilization) là một quá trình ngăn cản sự kết tụ

của các hạt keo bằng sự hấp phụ của các phân tử lớn trên bề mặt hạt nhƣ các

polymer hay các chất hoạt động bề mặt [94]. Vai trò ngăn cản sự kết tụ của các

phân tử lớn có thể đƣợc giải thích thông qua một cơ chế đơn giản nhƣ sau: nếu

khoảng cách giữa các hạt trở thành càng nhỏ thì mật độ của các phân tử hấp phụ

trong vùng không gian giữa các hạt sẽ tăng lên rất nhiều. Do mật độ gia tăng, lực

đẩy giữa các phân tử hấp phụ sẽ càng mạnh hơn (lực đẩy thẩm thấu). Hơn nữa, mật

độ cao của các phân tử hấp phụ - ổn định xung quanh hạt càng làm cho các hạt ổn

định hơn.

Hình 1.17. Ổn định không gian giữa hai hạt tiến lại gần nhau chứa các polymer

liên kết một đầu với bề mặt các hạt .

Hình 1.17 mô tả các hạt nano có lác lớp polymer kiểu “mỏ neo” trên bề mặt.

Khi khoảng cách giữa các hạt trở nên nhỏ hơn tổng chiều dày của các lớp polymer

cạnh nhau, chúng có thể xen phủ hoặc trở nên bị nén tạo ra lực đẩy mạnh giữa các

hạt lân cận nhau.

34

Một cách gần đúng, thế năng tƣơng tác giữa các hạt theo lý thuyết DLVO có

thể đƣợc viết một cách tổng quát nhƣ sau:

Vtotal (D) = Va(D) + Vr(D) + Vsteric

Trong đó, Vsteric là thế năng có đƣợc do lực đẩy giữa các hạt lân cận khi ổn

định không gian đƣợc tính đến. Thế năng này không phải là một tƣơng tác xa và

không phụ thuộc nhiều vào kích thƣớc hạt mà đƣợc xác định chủ yếu bởi các thông

số nhƣ nồng độ polymer, nhiệt độ, chiều dài trung bình của chuỗi polymer và độ tan

của polymer trong dung dịch. Chính vì vậy, để các hạt trong dung dịch ổn định hơn,

các hạt thƣờng đƣợc chức năng hóa bề mặt với các phân tử polymer nhƣ PEG,

BSA,…

1.2.2. Các phương pháp chế tạo hạt nano vàng dạng cầu

i) Tổng hợp trực tiếp

Tổng hợp trực tiếp hạt nano vàng dạng cầu theo phƣơng pháp hóa khử đƣợc

thực hiện dựa trên nguyên tắc chung nhƣ đã trình bày ở mục (1.2). Tùy thuộc vào

các chất khử và điều kiện phản ứng mà các hạt vàng cầu với kích thƣớc khác nhau

đƣợc tạo ra. Các hạt vàng có kích thƣớc lớn hơn từ 15-25 nm đƣợc Turkevich tổng

hợp trực tiếp khi sử dụng chất khử trisodium citrate (Na3C6H5O7 – gọi tắt là citrate)

ở 1000C (1951) [15]; và Frens (1973) [112] đã cải tiến phƣơng pháp của Turkevich

bằng cách thay đổi tỉ số nồng độ Au3+

/Citrate và thời gian gia nhiệt phản ứng để

điều khiển động học sự phát triển của hạt, làm tăng kích thƣớc hạt lên tới 150nm.

Tuy nhiên, các hạt trên 50nm bị mất đi dạng cầu, kích thƣớc không đồng đều và có

xu hƣớng dài ra. Điều này đƣợc giải thích bằng việc giả định rằng kích thƣớc cuối

cùng của hạt dạng cầu đƣợc khống chế bằng số lƣợng hạt nhân hình thành và phát

triển trên một hạt nano [112]. Một số nghiên cứu đã tập trung vào chế tạo các hạt

nano vàng kích thƣớc nhỏ dƣới 10nm nhƣ Duff-Baiker (1993) [6] sử dụng THPC

(Tetrakis(hydroxymethyl) phosphonium chloride) làm chất khử tạo ra các hạt nano

từ 1-2nm chỉ trong vài phút, Brust tạo ra các hạt 1-3nm (1994) [98] sử dụng chất

khử mạnh là NaBH4 có thêm alkanethiol, Martin (2010) [106] điều chỉnh tỉ lệ BH4-

35

/OH- và AuCl4

-/H

+ để tạo hạt nano vàng đơn phân tán trong nƣớc kích thƣớc từ 3,2

nm đến 5,2 nm.

ii) Tổng hợp hạt bằng phương pháp nuôi mầm

Để khắc phục hạn chế của phƣơng pháp tổng hợp trực tiếp là khó tạo đƣợc các

hạt dạng cầu, đơn phân tán, có kích thƣớc lớn trên 50nm, nhiều nhóm nghiên cứu đã

tổng hợp hạt bằng phƣơng pháp nuôi mầm.

Năm 2000 Natan và cộng sự đã sử dụng trisodium citrate để khử HAuCl4

trong dung dịch có chứa các hạt nano vàng đƣờng kính 12nm đƣợc gia nhiệt tới

1000C [115]. Phƣơng pháp này có thể tổng hợp đƣợc các hạt nano vàng trong dải từ

20-100nm. Hạn chế của phƣơng pháp này là các hạt kích thƣớc lớn cũng bị dài ra

theo hai trục (hình elip), tuy nhiên tỉ lệ giữa các trục là nhỏ hơn so với các hạt cùng

kích thƣớc đƣợc tổng hợp trực tiếp. Cũng cùng phƣơng pháp nuôi mầm sử dụng

trisodium citrate nhƣ Natan, nhƣng nhóm của Neus G. Bastus [99] đã nghiên cứu

sâu hơn các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tạo hạt nhƣ: pH dung dịch, nhiệt độ và

lƣợng nguyên tử Au0 đƣợc đƣa vào trong từng bƣớc, đã tổng hợp đƣợc các hạt nano

vàng cầu với kích thƣớc từ 10-200nm đơn phân tán và tƣơng đối đồng đều về kích

thƣớc thông qua nhiều bƣớc nuôi. Theo Weinan Leng [66] động học phản ứng xảy

ra nhanh ở 1000C và cần thiết phải giữ cho sự khử xảy ra liên tục trong quá trình

nuôi mầm, vì vậy thứ tự và tốc độ thêm các chất vào dung dịch ảnh hƣởng mạnh

đến kích thƣớc và độ đơn phân tán của hạt. Do đó, năm 2015 Weinan Leng đã báo

cáo một phƣơng pháp nuôi mầm tƣơng tự nhƣ Natan nhƣng tại nhiệt độ phòng [66].

Tuy nhiên, bên cạnh phần lớn các hạt cầu đƣợc sinh ra thì phƣơng pháp tổng hợp

này tạo ra cả nano vàng dạng thanh và tam giác, đồng thời thời gian phản ứng kéo

dài tới 2-3h. Ngoài ra, có một số nhóm nghiên cứu cũng tổng hợp hạt nano vàng cầu

bằng phƣơng pháp nuôi mầm sử dụng axit ascorbic (AA) làm chất khử với chất hoạt

động bề mặt là Cetyl trimethylammonium bromide (CTAB) (Jana & Murphy [103]

và Liz-Marzan (2006) [97]).

36

Nhìn chung, có nhiều các phƣơng pháp khác nhau để tổng hợp hạt nano vàng

cầu với các kích thƣớc khác nhau. Bảng 1.1 trình bày một số các kết quả tổng hợp

hạt nano vàng cầu bằng phƣơng pháp nuôi mầm.

Bảng 1.1. Các phương pháp chế tạo hạt nano vàng dạng cầu bằng phương

pháp nuôi mầm

Phƣơng pháp Hóa chất, điều kiện phản ứng Sản phẩm Tài liệu

tham khảo

Brown &

Natan (2000)

Hạt mầm 12nm, HAuCl4, chất

khử citrate Na3C6H5O7, NH2OH,

nhiệt độ phòng

Có thể tổng hợp đƣợc

các hạt với kích thƣớc

20-100nm

[115]

Jana &

Murphy (2001)

Hạt mầm 3.5nm, HAuCl4,

CTAB, chất khử AA, nhiệt độ

phòng

Các hạt nano cầu

đƣợc tạo thành có

đƣờng kính thay đổi

từ 5-40nm

[103]

Liz- Marzan

(2006)

Hạt mầm 12nm, HAuCl4, CTAB,

chất khử AA, nhiệt độ phòng

Đƣờng kính hạt từ 12-

180 nm

[97]

Steven.D

(2009)

HAuCl4, chất khử HQ

(Hydroquinone), hạt mầm < 15

nm, nhiệt độ phòng

Đƣờng kính hạt từ 50-

200 nm, phân bố kích

thƣớc hẹp.

[106]

Neus G. Bastus

(2011)

Hạt mầm 10nm, HAuCl4, chất

khử citrate Na3C6H5O7, 1000C

Các hạt nano vàng cầu

tƣơng đối đơn phân

tán 10-200nm

[99]

Weinan Leng

(2015)

Hạt mầm 10nm, HAuCl4, chất

khử citrate Na3C6H5O7, nhiệt độ

phòng

Các hạt vàng cầu 15-

115 nm

[66]

Jordi Piella

Bast’us (2016)

Hạt mầm 3.5nm, HAuCl4, chất

khử citrate Na3C6H5O7, 700C

Đƣờng kính hạt từ 3.5

-10 nm

[56]

37

Tuy nhiên, mỗi phƣơng pháp chỉ có thể tạo ra hạt nano vàng trong một dải

kích thƣớc và chúng đều có những hạn chế nhất định. Hiện tại chƣa có một phƣơng

pháp đơn giản nào tạo đƣợc hạt nano vàng với kích thƣớc kiểm soát đƣợc trong dải

rộng, không dùng hoạt động bề mặt và thực hiện ở nhiệt độ phòng.

1.2.3. Các phương pháp chế tạo hạt nano cấu trúc lõi/vỏ - SiO2/Au

Có hai phƣơng pháp chính để tạo lớp vỏ vàng trên bề mặt hạt silica:

- Phƣơng pháp tổng hợp trực tiếp tạo ra hạt SiO2/Au nhờ sự kết tủa lắng đọng

(DP) trực tiếp hạt vàng lên bề mặt hạt silica nhƣ trên hình 1.18 b) và c). Trong đó

các hạt silica có thể đƣợc biến đổi hóa học bề mặt để tích điện dƣơng (b) hoặc ƣa

nƣớc (c), ổn định ở pH> 2, thích hợp cho sự lắng đọng và kết tủa [AuClx(OH)4-x].

Thông qua tối ƣu hóa độ pH, nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng ta có lớp phủ

đồng nhất vàng trên bề mặt hạt lõi.

- Phƣơng pháp phát triển các mầm vàng trên bề mặt hạt nano silica để tạo

thành lớp vỏ vàng. Quá trình này gồm 4 bƣớc: (i) tổng hợp và chức năng hóa bề mặt

của hạt silica lõi, (ii) tổng hợp hạt nano vàng mầm kích thƣớc vài nanomet trong

dung dịch, (iii) đƣa các hạt vàng mầm hấp phụ trên bề mặt hạt nano silica đã chức

năng hóa và cuối cùng là (iv) phát triển các hạt mầm trên bề mặt hạt nano silica

thành lớp vỏ. Quá trình này phụ thuộc nhiều vào điều kiện thí nghiệm nhƣ các tính

chất bề mặt của hạt nano lõi silica, kích thƣớc của hạt nano vàng mầm, và pH của

dung dịch nuôi là dung dịch vàng hydroxyde [61, 69,128].

38

Hình 1.18. Các phương pháp tổng hợp hạt có cấu trúc lõi vỏ: silica/ vàng: a) theo

mô tả Halas et al.; b) và c) theo phương pháp lắng đọng DP [90].

Nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã tạo ra đƣợc cấu trúc lõi silica với kích

thƣớc lõi khác nhau sử dụng các nhóm chức năng bề mặt có bản chất là các nhóm

amin và thiol để làm lớp kết dính với lớp vỏ kim loại nhƣ Au, Ag, Cu và tạo ra

chiều dày lớp vỏ bọc bên ngoài khác nhau nằm trong khoảng 10 nm đến 33 nm. Các

kết quả của các nhóm nghiên cứu này đƣợc tổng hợp trên bảng 1.2.

39

Bảng 1.2. Một số kết quả tổng hợp cấu trúc lõi/vỏ của các nhóm trên thế giới

Đƣờng

kính lõi

silica (nm)

Nhóm chức

năng bề mặt

hạt

Kim loại

tạo vỏ

Chiều dầy

lớp vỏ

(nm)

Đỉnh hấp thụ

plasmon

(nm)

Tài liệu tham

khảo

120 Amin/thiol Au 20,

26,29,33 800 [77]

120 Amin/hydroxyl Au 15-25 760 [90]

500 Hydroxyl Ag/Cu 10-30 500.5 [124]

50600 Hydroxyl Ag 10 [57]

28110 Amin Au 11 790 [91]

60, 25, 340 Amin Au 3.5, 11, 32 [118]

1.2.4. Chế tạo thanh nano vàng

Vì những ứng dụng tiềm năng của các thanh nano vàng nên cho đến nay, đã

có nhiều phƣơng pháp khác nhau đƣợc nghiên cứu để tổng hợp loại vật liệu này.

Một kỹ thuật phổ biến từ trên xuống (top-down) chế tạo thanh nano vàng là quang

khắc chùm điện tử [82]. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là tạo ra các thanh nano vàng

kích thƣớc đồng đều, có độ đơn phân tán cao nhƣng các thiết bị đắt tiền.

Kỹ thuật từ dƣới lên (bottom -up) đã đƣợc sử dụng để tạo thanh nano vàng

với nguyên lý là tạo ra sự phát triển bất đẳng hƣớng của hạt vàng mầm. Có hai

phƣơng pháp khác nhau để tổng hợp các thanh nano vàng:

i) Sử dụng các khuôn cứng để hạn chế sự tăng trƣởng của hạt vì vậy mà các

ion vàng chỉ bị khử bên trong các khuôn này [55,88]. Phƣơng pháp này tạo ra các hạt

vàng đơn phân tán và có thể kiểm soát hình dạng và kích thƣớc của chúng. Nhƣng

nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là khó tổng hợp các hạt với kích thƣớc lớn;

ii) Khử các ion vàng với sự có mặt của các chất ổn định và các chất hoạt

động bề mặt, những chất này liên kết với bề mặt của hạt nano đang phát triển để

định hƣớng việc hình thành các thanh nano vàng. Đối với phƣơng pháp khử này, có

40

thể chọn một trong những cách sau đây: phƣơng pháp khử quang hóa (chiếu xạ UV)

[110, 122], phƣơng pháp điện hóa [100], phƣơng pháp khử sinh học [123] và

phƣơng pháp nuôi mầm [11].

Phƣơng pháp khử quang hóa đƣợc thực hiện vào những năm 1990 bằng cách

sử dụng bức xạ UV 254nm và chất hoạt động bề mặt CTAB để tạo ra vàng nano

dạng thanh. Tuy nhiên, phƣơng pháp này cho hiệu suất tạo thanh thấp vì sản phẩm

tạo ra chứa nhiều hạt nano dạng cầu. Sau đó, để tăng hiệu suất tạo thanh, AgNO3 và

các chất đồng hoạt động bề mặt đã đƣợc thêm vào. Tuy vậy, phƣơng pháp khử

quang hóa vẫn có nhƣợc điểm khó khắc phục là thời gian phản ứng kéo dài và tỉ lệ

các cạnh của thanh giới hạn bằng 5.

Phƣơng pháp điện hóa tạo ra thanh nano vàng bằng cách khử muối vàng

HAuCl4 trên điện cực platin với sự có mặt của các chất hoạt động bề mặt. Phản ứng

xảy ra nhanh nhƣng các thanh nano vàng tạo thành có phổ phân bố kích thƣớc rộng,

tỉ lệ các cạnh AR trải rộng từ 1-7 và hiệu suất tạo thanh cũng không cao.

Phƣơng pháp nuôi mầm đã đƣợc nhóm của Murphy [50,75] sau đó là nhóm

của El-Sayed [79] sử dụng để tổng hợp thanh nano vàng. Trong phƣơng pháp này,

các hạt mầm nhỏ kích thƣớc vài nanomet đƣợc đƣa vào trong dung dịch nuôi chứa

muối vàng, một chất khử yếu và chất định hƣớng cấu trúc để điều khiển hình dạng

cuối cùng của hạt. Axit Ascorbic (AA) là chất khử lý tƣởng vì nó là một chất khử

yếu, các ion Au3+

đƣợc khử thành các nguyên tử Au0 trong một khoảng thời gian

dài. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phát triển bất đẳng hƣớng của hạt

mầm trong dung dịch. Cetyl trimethylammonium bromide (CTAB) đƣợc sử dụng

nhƣ một chất định hƣớng cấu trúc cho quá trình hình thành thanh nano vì nó là một

loại chất hoạt động bề mặt điện tích dƣơng (cationic), tự tạo thành các micelle hình

thanh trong nƣớc và sẽ là các khuôn dƣỡng mềm, thúc đẩy sự hình thành thanh nano

khi các hạt mầm vàng lớn lên do đƣợc bổ sung thêm các ion Au3+

. Chức năng chủ

yếu của CTAB là hấp phụ lên các hạt mầm đang phát triển và giới hạn tinh thể phát

triển theo các mặt nhất định.

41

Có hai cách để tổng hợp thanh nano vàng bằng phƣơng pháp nuôi mầm: có

và không có phụ gia ion tạp chất - ion Ag+.

i) Không sử dụng ion Ag+ khi chế tạo các thanh nano vàng với tỉ lệ các cạnh

lớn (khoảng 20). Các hạt vàng 3,5 nm đƣợc chế tạo bằng cách khử muối vàng sử

dụng sodium borohydride trong dung dịch có chứa citrate đƣợc sử dụng làm mầm

để tạo các thanh nano vàng. Các thanh nano vàng đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp

này có cấu trúc tinh thể là tứ diện cặp đôi với mặt cắt ngang là một ngũ giác (hình

1.19). Mỗi đầu của thanh bao gồm các mặt của 5 tam giác là các mặt {111}, còn các

mặt bên của thanh là mặt {100} hoặc {110}.

Hình 1.19. Mô hình minh họa cơ chế phát triển của thanh nano vàng khi

không có ion Ag+

Cơ chế tạo thanh trong trƣờng hợp này đƣợc giải thích bằng sự gắn kết khác

nhau của CTAB lên các mặt tinh thể. Hạt mầm với các mặt tinh thể khác nhau cho

phép CTAB có sự gắn kết ƣu tiên khác nhau với các mặt của chúng. Murphy đã giải

thích cho điều này nhƣ sau: CTA+ liên kết với các bề mặt vàng nano với mức độ ƣu

tiên khác nhau dựa vào sự phân bố không gian của nó [107]. Vì khoảng cách giữa

nguyên tử vàng trên các mặt bên {100} và {110} với nhóm CTA+ gần hơn so với

mặt {111}, do đó, CTA+ sẽ có xu hƣớng tạo thành lớp kép trên mặt mạng {100}

hoặc {110}. Vì vậy, hạt sẽ phát triển theo hƣớng dọc theo trục <110> trên mặt

{111} và các mặt khác không chứa CTA+. Kết quả là hạt nano vàng dạng thanh

đƣợc hình thành.

42

ii) Sử dụng các ion Ag+ trong dung dịch nuôi để chế tạo các thanh nano vàng

kích thƣớc nhỏ với tỉ lệ các cạnh nằm trong khoảng 1-6, bằng các hạt mầm vàng

1,5 nm đƣợc chế tạo bằng cách khử muối vàng bằng sodium borohydride trong

dung dịch có chứa CTAB [75]. Lý giải điều này, Murphy và cộng sự [107] cho

rằng, mặc dù các ion Ag+ không bị khử bởi AA trong môi trƣờng axit nhƣng chúng

có thể bị khử thành các nguyên tử Ag0 trên bề mặt kim loại ở một giá trị thế thấp

hơn rất nhiều so với thế khử thực tế của nó. Sự khử này đƣợc gọi là khử dƣới thế

(underpotential deposition, UPD), nhờ đó có thể tạo nên một đơn lớp nguyên tử Ag

trên bề mặt của vàng mầm. Quá trình khử dƣới thế xảy ra trên các mặt khác nhau

của hạt mầm theo thứ tự giảm dần nhƣ sau: {110} > {100} > {111}. Điều này làm

cho các nồng độ các nguyên tử Ag0 trên các mặt khác nhau của hạt mầm là khác

nhau, dẫn đến mức độ ngăn cản sự hấp phụ của các nguyên tử Au0

trong dung dịch

lên các mặt của hạt mầm cũng khác nhau. Do đó, các hạt mầm phát triển bất đẳng

hƣớng trong dung dịch.

Hình 1.20. Cơ chế hình thành GNR dưới sự định hướng của ion Ag+[75]

Hình 1.20 giải thích vai trò của ion Ag+ trong quá trình phát triển của thanh

nano vàng. Sự khử dƣới thế của Ag xảy ra nhanh nhất trên mặt {110} của tinh thể

vàng mầm, dẫn tới tốc độ phát triển của mặt này chậm hơn nhiều so với tốc độ phát

triển của các mặt ở hai đầu thanh nano, tức là phát triển mạnh dọc theo hƣớng 100.

Sự phát triển này sẽ kết thúc khi lƣợng Ag+ đƣa vào đủ lớn để sự khử dƣới thế của

Ag+ xảy ra chậm trên các mặt {100} dẫn đến kết thúc quá trình phát triển của thanh

nano vàng.

43

Ngoài ra, để tăng tỷ lệ kích thƣớc thanh, ngƣời ta còn sử dụng chất đồng hoạt

động bề mặt nhƣ benzyl dimethylhexadecyl ammonium chloride (BDAC). Hỗn hợp

hoạt động bề mặt này làm giảm nồng độ micelles trong dung dịch so với khi chỉ sử

dụng chất hoạt động bề mặt CTAB. Điều này có thể dẫn đến sự hình thành các

micelles tốt hơn trong dung dịch, kết hợp với muối vàng để làm chậm sự khử của nó

đồng thời có chức năng ngăn chặn sự phát triển các mặt bên của thanh để tập trung

sự phát triển kéo dài ở hai đầu thanh [79,85]. Nhƣ vậy, hỗn hợp CTAB/BDAC tạo

ra một khuôn mẫu linh hoạt hơn, hình thành các micelle lớn hơn thúc đẩy sự phát

triển bất đẳng hƣớng của tinh thể mầm vàng [79,85].

Phƣơng pháp này dần trở nên phổ biến bởi đơn giản về mặt công nghệ, hiệu

suất cao (99%), các thanh vàng tƣơng đối đồng đều về hình dạng và kích thƣớc và

tỷ lệ kích thƣớc thanh có thể kiểm soát đƣợc bằng cách thay đổi các yếu tố ảnh

hƣởng [107].

1.3. Ứng dụng của các cấu trúc nano vàng

Các cấu trúc nano vàng với khả năng tƣơng thích sinh học cao, không độc và

đặc biệt là nhờ vào hiệu ứng cộng hƣởng plasmon bề mặt, chúng có thể tán xạ và

hấp thụ mạnh ánh sáng từ vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại gần. Các tính chất

đặc thù làm cho chúng có rất nhiều các ứng dụng, đặc biệt là các ứng dụng trong y

sinh. Hai hƣớng ứng dụng chính của các cấu trúc nano vàng là ứng dụng trong chẩn

đoán nhƣ: đánh dấu và hiện ảnh tế bào [85]; các cảm biến sinh học với độ nhạy cao

[64,84]; và ứng dụng trong điều trị hƣớng đích nhƣ: dẫn truyền và phân phối thuốc

cũng nhƣ các phân tử sinh học [127]; tiêu diệt tế bào bệnh nhờ hiệu ứng quang nhiệt

[10, 121]...Trong luận án này, chúng tôi đề cập đến hai ứng dụng của các hạt nano

vàng là: ứng dụng trong đánh dấu và hiện ảnh tế bào và thử nghiệm hiệu ứng

chuyển đổi quang nhiệt trên các mẫu mô sống.

1.3.1. Đánh dấu và hiện ảnh sinh học

Ứng dụng này dựa trên hiệu ứng tán xạ ánh sáng trong vùng nhìn thấy của hạt

vàng để thu nhận hình ảnh tán xạ của các tế bào đƣợc đánh dấu bằng các hạt nano

vàng. Có thể phân biệt các tế bào bệnh bằng nhiều cách chẳng hạn nhƣ dựa vào

44

DNA, biểu hiện hô hấp, các thụ thể bề mặt, hay protein. Một trong những phƣơng

pháp thƣờng dùng là phƣơng pháp miễn dịch. Nghĩa là các cấu trúc nano vàng đƣợc

gắn với kháng thể đặc hiệu của tế bào cần nhận biết, nhờ tán xạ ánh sáng của các

cấu trúc nano vàng có thể quan sát đƣợc ảnh của tế bào. Các hạt nano vàng cầu đã

đƣợc Sokolov và cộng sự sử dụng để hiện ảnh tế bào ung thƣ cổ tử cung (SiHa)

[80]. Các hạt keo vàng bề mặt tích điện âm gắn kết với kháng thể anti-EGFR thông

qua tƣơng tác tĩnh điện. Nhờ hiện tƣợng tán xạ ánh sáng của hạt nano vàng, hình

ảnh các tế bào đánh dấu đƣợc quan sát bằng cách sử dụng kính hiển vi đồng tiêu

kích thích ở bƣớc sóng laser 647 nm. Trong trƣờng hợp hạt nano vàng gắn kết với

BSA (hình 1.21E và 1.21F) và đƣợc ủ với tế bào, vì không có liên kết đặc hiệu với

tế bào biểu mô nên các tế bào không đƣợc đánh dấu.. Hình1.21 A và 1.21C là ảnh

tán xạ và hình 1.21B, D là ảnh truyền qua trên cùng một mẫu của các tế bào đƣợc

gắn kết đặc hiệu với phức hệ Au@kháng thể. Các ảnh này chỉ ra rằng hạt nano chủ

yếu nằm trên bề mặt của màng tế bào.

Hình 1.21. Đánh dấu tế bào SiHa bằng hạt nano Au: ảnh A, B, C, D là đánh dấu

đặc hiệu dùng hạt vàng gắn với kháng thể EGFR, ảnh E, F là đánh dấu không đặc

hiệu dùng hạt Au gắn kết với BSA [104].

45

El-Sayed et al [59] đã sử dụng các hạt vàng kích thƣớc ~ 35nm gắn kết với

kháng thể đặc hiệu EGFR để phân biệt tế bào ung thƣ vòm họng ác tính với tế bào

lành thông qua ảnh hiển vi trƣờng tối.

Loo và cộng sự đã sử dụng các cấu trúc lõi/vỏ gắn kết đặc hiệu với kháng thể

HER2 để hiện ảnh của tế bào ung thƣ biểu mô tuyến vú SKBr3 khi sử dụng kính

hiển vi trƣờng tối (hình 1.22). Trong thí nghiệm này, cả tế bào SKBr3 và MCF7

(không đặc hiệu HER2) đã đƣợc ấp ủ với hạt cấu trúc lõi/vỏ ở một nồng độ 8μg ml-

1 trong 1 giờ. Kết quả cho thấy, các tế bào SKBr3 đặc hiệu HER2 có độ tƣơng phản

của ảnh cao hơn 3 lần so với các tế bào không đặc hiệu. Trong khi không có sự khác

biệt đáng kể giữa ảnh trƣờng tối của các tế bào gắn kết không đặc hiệu với các tế

bào không đƣợc gắn hạt. Điều này cho thấy các hạt nano có tính hƣớng đích cao.

Hình 1.22. Ảnh trường tối của tế bào SKBr3 khi không được ủ với cấu trúc nano

lõi/vỏ (1), khi ủ với phức hệ nano@ kháng thể không đặc hiệu IgG(2), khi ủ với

phức hệ nano @kháng thể đặc hiệu HER2[75].

1.3.2. Ứng dụng hiệu ứng quang nhiệt

Hiệu ứng quang nhiệt là hiệu ứng chuyển đổi quang năng thành nhiệt năng do

các hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu tới. Sau đó, nhiệt sẽ khuếch tán khỏi hạt nano

làm nóng môi trƣờng xung quanh. Quá trình sinh nhiệt trở nên đặc biệt mạnh trong

trƣờng hợp cộng hƣởng plasmon của hạt đƣợc kích thích. Khi laser chiếu đến hệ,

các hạt nano và môi trƣờng sẽ hấp thụ năng lƣợng của laser làm nhiệt độ của hệ

tăng dần lên cho đến khi đạt sự cân bằng giữa vận tốc cấp nhiệt và vận tốc tỏa nhiệt

46

ra môi trƣờng. Sự biến thiên nhiệt độ của hệ theo thời gian đƣợc cho bởi phƣơng

trình [95]

*

*

BTAdt

dT (1.22)

Trong đó: A là vận tốc hấp thụ nhiệt lƣợng thể hiện cho sự tăng nhiệt độ khi

các hạt nano đƣợc chiếu sáng, B là vận tốc mất mát nhiệt đƣợc xác định bằng sự suy

hao nhiệt độ ra môi trƣờng xung quanh sau khi tắt laser kích thích và =

. (T là nhiệt độ của hệ, TSurr nhiệt độ môi trƣờng ban đầu). Hiệu suất chuyển

đổi quang nhiệt η hay khả năng chuyển đổi năng lƣợng quang thành năng lƣợng

nhiệt của các hạt nano có thể đƣợc tính trực tiếp từ sự gia tăng nhiệt độ ổn định [95]

theo công thức:

( ) (1.23)

Với I là công suất laser kích thích, hệ số truyền nhiệt, là diện tích tiếp xúc giữa

thể tích vùng hạt nano + nƣớc và môi trƣờng không khí xung quanh, Tmax là nhiệt độ

cao nhất mà hệ đạt đƣợc, là độ hấp thụ của các hạt nano ở bƣớc sóng λ và η là

hiệu suất chuyển đổi ánh sáng hấp thụ thành năng lƣợng nhiệt. Nhiệt lƣợng do môi

trƣờng chứa hạt hấp thụ trực tiếp ánh sáng laser và làm tăng nhiệt độ của hệ Qsurr

đƣợc đo độc lập.

Tiêu diệt tế bào ung thƣ bằng hiệu ứng quang nhiệt cho các tổ chức nằm sâu

trong cơ thể đòi hỏi nguồn sáng hồng ngoại gần (NIR) vì chỉ loại ánh sáng này mới

có khả năng đi sâu vào cơ thể qua cửa sổ của da (700-900 nm). Sử dụng một laser

hồng ngoại 800 nm với các thanh nano vàng và hạt nano cấu trúc lõi silica vỏ vàng

nhóm El-Sayed [99] và Halas [15] đã thành công trong việc phá hủy tế bào ung thƣ

bằng liệu pháp quang nhiệt. Kết quả cho thấy liều quang nhiệt dùng để phá hủy tế

bào ung thƣ (10 W/cm2) thấp bằng một nửa liều dùng để phá hủy tế bào lành. Nhóm

tác giả Colin M. Henssel đã nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của các hạt cấu trúc

lõi/vỏ SiO2/Au đƣờng kính 135 nm 10 nm với đỉnh hấp thụ tại 800 nm và các

47

thanh nano vàng tỉ lệ cạnh là 3,3 với đỉnh hấp thụ tại 780nm (2011)[76]. Với cùng

một lƣợng là 30µl dung dịch mỗi loại nano vàng có cùng độ hấp thụ, sau 30 phút

chiếu laser hồng ngoại bƣớc sóng 800 nm, mật độ công suất chiếu 2W/cm2, nhiệt độ

dung dịch đạt đƣợc là: 22oC đối với dung dịch chứa hạt SiO2/Au, 32

oC đối với

thanh nano vàng. Từ đó, tính đƣợc hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt ứng với mỗi

loại hạt là: 13% (SiO2/Au), 21% ( thanh nano vàng).

Dung dịch nano vàng dạng thanh có tỉ lệ cạnh là 3,9 với đỉnh hấp thụ tại

800nm đƣợc chiếu laser mật độ công suất 85W/cm2 để nghiên cứu hiệu ứng chuyển

đổi quang nhiệt [93]. Kết quả nghiên cứu đã tính đƣợc hiệu suất chuyển đổi quang

nhiệt của các thanh nano vàng là 20%.

Tiến sĩ Jennifer West ở Đại học Rice (Houston, Mỹ) đã nghiên cứu diệt tế bào

ƣng thƣ vú SK-BR-3 bằng cấu trúc lõi/vỏ với lõi silica 110 nm và lớp vỏ vàng dày

10 nm, đỉnh hấp thụ ở 820 nm [117]. Sau một thời gian chiếu bằng nguồn hồng

ngoại gần, tế bào ung thƣ vú SK-BR-3 (đã ủ với hạt cấu trúc lõi/vỏ) có những biểu

hiện hƣ hỏng không thể hồi phục đƣợc, trong khi các tế bào đối chứng vẫn còn

nguyên vẹn (hình 1.23).

Hình 1.23. Khu vực khoanh đỏ là nơi nanoshells được tiêm vào: trong vài

phút bị đốt nóng dưới ánh sáng gần hồng ngoại, các tế bào này đã chế [117].

Sử dụng nano vàng làm tác nhân chuyển đổi quang năng thành nhiệt năng sẽ

là kỹ thuật hứa hẹn nhiều tiềm năng cho việc loại bỏ những khối ung thƣ nhỏ, đặc

biệt là các khối u nằm sâu trong các tổ chức phức tạp mà không thể sử dụng các

phƣơng pháp trị liệu thông thƣờng.

48

1.4. Các phƣơng pháp đo đạc

Để nghiên cứu hình thái, kích thƣớc, cấu trúc tinh thể, cấu trúc hóa học và các

đặc trƣng quang cũng nhƣ độ phân tán và ổn định của các cấu trúc nano vàng đã chế

tạo, chúng tôi sử dụng các phƣơng pháp đo đạc sau đây:

1.4.1. Nhóm phương pháp xác định hình dạng, kích thước và cấu trúc vật liệu

1.4.1.1. Phép đo kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electric Microscopy - TEM)

là một thiết bị sử dụng chùm điện tử có năng lƣợng cao và các thấu kính từ để

nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn. Kính hiển vi điện tử truyền qua với độ phân giải cao

là một công cụ rất hữu ích trong việc nghiên cứu hình dạng, kích thƣớc, sự phân bố

các hạt của các mẫu vật liệu có cấu trúc nanomet hay mẫu màng mỏng.

Nguyên lý hoạt động: một chùm tia điện tử cƣờng độ cao đi qua các thấu kính hội

tụ tại một diện tích rất nhỏ, sau đó đƣợc chiếu qua mẫu. Các chùm điện tử sau đó đi

qua hệ thống thấu kính để tạo ảnh thật của mẫu. Với độ phân giải cao, kính hiển vi điện

tử truyền qua có thể quan sát đƣợc các vật có kích thƣớc cỡ 0,2 nm. Một trong những

ƣu điểm của phƣơng pháp hiển vi truyền qua là có thể dễ dàng thay đổi tiêu cự bằng

cách thay đổi dòng điện kích thích vào thấu kính từ đó có thể thay đổi tiêu cự của kính

phóng để trên màn có ảnh hiển vi hay ảnh nhiễu xạ. Qua đó có thể biết đƣợc nhiều

thông tin về cấu trúc, cách sắp xếp các nguyên tử của mẫu nghiên cứu.

Hình 1.24. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

49

1.4.1.2. Nhiễu xạ tia X (XRD)

Nhiễu xạ tia X là hiện tƣợng các chùm tia X tƣơng tác với các mặt tinh thể

của chất rắn, do tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên các cực đại và cực tiểu

nhiễu xạ. Chiếu một chùm tia X đơn sắc có bƣớc sóng λ tới một tinh thể chất rắn,

tia X đi vào bên trong mạng lƣới. Tinh thể mạng lƣới này đóng vai trò nhƣ một

cách tử nhiễu xạ gây ra hiện tƣợng nhiễu xạ của các tia X tới.

Định luật phản xạ Bragg cho biết mối quan hệ giữa khoảng cách của hai

mặt phẳng tinh thể song song (d), góc giữa phƣơng tia X tới và mặt phẳng tinh thể

(θ) và bƣớc sóng tia X (λ)

2dsinθ = nλ với n là bậc nhiễu xạ (n = 1, 2, 3, …)

Từ thực nghiệm có thể xác định đƣợc bƣớc sóng λ, góc nhiễu xạ θ tƣơng

ứng với vạch nhiễu xạ thu đƣợc. Khi đó xác định đƣợc khoảng cách giữa các mặt

mạng d. Vì mỗi một tinh thể khác nhau đƣợc đặc trƣng bằng các giá trị d khác

nhau. Do vậy, phƣơng pháp nhiễu xạ tia X có thể xác định đƣợc thành phần pha

tinh thể của vật liệu, xác định đƣợc kích thƣớc tinh thể cũng nhƣ cấu trúc tinh thể

của vật liệu

Hình 1.25. Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn,

Giản đồ nhiễu xạ tia X (phổ nhiễu xạ tia X) là sự phụ thuộc của cƣờng độ nhiễu xạ

vào góc nhiễu xạ (thƣờng dùng là 2 lần góc nhiễu xạ).

50

1.4.2. Các phương pháp xác định cấu trúc hóa học

1.4.2.1. Phương pháp EDX (Energy-dispersive X-ray)

Phƣơng pháp EDX là kĩ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa

vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tƣơng tác với các bức xạ.

Nguyên lý hoạt động của EDX: Khi chùm điện tử có mức năng lƣợng cao

đƣợc chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên vào nguyên tử vật rắn và tƣơng tác với các

lớp điện tử bên trong của nguyên tử. Tƣơng tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có

bƣớc sóng đặc trƣng tỉ lệ với số nguyên tử của nguyên tử. Tần số của tia X phát ra

đặc trƣng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia

X phát ra từ vật rắn sẽ cho ta những thông tin về tỉ phần các nguyên tố này. Phổ tia

X phát ra có tần số trải trong một dải rộng và đƣợc phân tích nhờ phổ kế tán sắc

năng lƣợng do đó ghi nhận thông tin về các nguyên tố cũng nhƣ thành phần.

1.4.2.2. Hấp thụ hồng ngoại (FTIR-Fourrier Transformation InfraRed)

Máy quang phổ FTIR đƣợc dùng chủ yếu phân tích định tính, định lƣợng

hợp chất hữu cơ, cấu trúc hoá học của hợp chất vô cơ.

Khi bị kích thích bởi các nguồn năng lƣợng bên ngoài, các phân tử có thể có

các chuyển động quay hoặc chuyển động dao động xung quanh vị trí cân bằng của

nó. Tùy theo năng lƣợng kích thích lớn hay nhỏ mà quá trình quay, dao động hay cả

quá trình quay và dao động có thể xảy ra đồng thời. Tất cả các chuyển động này gọi

chung là dao động phân tử. Năng lƣợng các dao động phân tử tƣơng đƣơng với

năng lƣợng của ánh sáng hồng ngoại, vì vậy hấp thụ của các dao động phân tử đƣợc

gọi là hấp thụ hồng ngoại.

Phổ hấp thụ hồng ngoại chính là phổ dao động quay vì khi hấp thụ bức xạ

hồng ngoại thì cả chuyển động dao động và chuyển động quay đều bị kích thích.

Mỗi một nhóm chức hay một liên kết có một tần số hay số sóng đặc trƣng vì vậy

việc ghi nhận phổ hấp thụ hồng ngoại cho phép xác định đƣợc các nhóm chức hay

các liên kết trong hợp chất. Phổ hồng ngoại đƣợc ghi dƣới dạng sự phụ thuộc của

phần trăm truyền qua (100I/I0) vào số sóng.

51

1.4.3. Phương pháp tán xạ động (Dynamic Light Scattering -DLS)

Các hạt lơ lửng trong một chất lỏng liên tục chuyển động ngẫu nhiên, tốc độ

chuyển động của chúng phụ thuộc vào kích thƣớc của các hạt. Hạt nhỏ di chuyển

nhanh hơn so với những hạt lớn. Trong phép đo này, ánh sáng tán xạ trên mẫu

đƣợc phát hiện và ghi nhận ở một góc độ nhất định. Sự phụ thuộc vào thời gian

của cƣờng độ tán xạ cho thấy các hạt đang chuyển động nhanh nhƣ thế nào. Từ

thông tin này, có thể tính toán kích thƣớc trung bình của hạt cũng nhƣ sự phân bố

kích thƣớc.

Bán kính thủy động học (hydrodynamic radi) là bán kính đƣợc tính từ công

thức Stockes-Einstein: D = kT/6πηRh

Trong đó: D là hệ số khuếch tán

T là nhiệt độ

Rh là bán kính thủy động

K là hằng số Boltzmann

η là độ nhớt của môi trƣờng phân tán

Bán kính thủy động học thƣờng lớn hơn bán kính thực của hạt do bán kính

thủy động học tính cả kích thƣớc các nhóm chức năng hoặc lớp bao phủ có trên bề

mặt hạt.

Phân bố kích thƣớc theo số hạt (Size distribution by Number) đƣợc thể hiện

trên đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của số hạt theo kích thƣớc.

Độ đơn phân tán là một thông số quan trọng của các hạt nano dạng huyền phù

(colloidal) đƣợc phản ánh qua giá trị PdI (Polydispertion Index) trong phép đo DLS.

Khi chỉ số PdI dƣới 0.1 các hạt đƣợc coi là có độ phân tán tốt, không có hiện tƣợng

kết đám. Khi chỉ số PdI trên 0.5 trong dung dịch bắt đầu có hiện tƣợng tụ đám của

các hạt. Khi PdI có giá trị trong khoảng 0.1-0.5 thì tồn tại cả hai hiện tƣợng trên.

Thế zeta (zeta potential)

52

Thế zeta (ξ) là đại lƣợng đặc trƣng cho sự ổn định của hệ phân tán các hạt rắn

trong chất lỏng (còn gọi là hệ keo). Các hạt với điện tích bề mặt nhất định sẽ hấp

thụ những ion có điện tích trái dấu từ trong dung dịch để tạo thành một lớp điện tích

bao quanh hạt. Những ion trên lớp điện tích này lại hấp thụ các ion trái dấu với

chúng trong dung hình thành nên một lớp điện tích kép: lớp trong (lớp Sterm) gồm

các ion liên kết mạnh với bề mặt hạt và lớp ngoài (lớp khuếch tán) liên kết yếu hơn

với bề mặt hạt.

Thế zeta đƣợc đo bằng cách áp đặt một điện trƣờng qua hệ phân tán, dƣới tác

dụng của điện trƣờng, các hạt trong hệ sẽ di chuyển theo chiều nhất định với vận tốc

tỷ lệ với độ lớn của thế zeta. Giá trị của thế zeta phụ thuộc vào nhiều yếu tố tác

động bao gồm : độ pH, độ dẫn điện của môi trƣờng và các thành phần trong hệ.

Hình 1.26. Sự biến thiên của thế zeta theo giá trị pH của môi trường

pH của môi trƣờng là yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến thế zeta. Nếu pH của dung

dịch tăng (pH > 5), hệ sẽ có thế zeta âm hơn, còn nếu pH của dung dịch giảm (pH <

5), thế zeta sẽ dƣơng. Do đó, sẽ tồn tại pH của môi trƣờng mà hệ keo không ổn

định, và có một điểm mà thế zeta bằng không, tại đó hệ keo kém ổn định nhất (điểm

đó gọi là điểm đẳng điện). Nói cách khác thì hệ keo càng ổn định khi thế zeta của hệ

xa điểm đẳng điện nhất (ξ có giá trị gần 30mV).

Chỉ số PdI và thế zeta của các dung dịch đƣợc đo trên máy Zetasizer (Nano-

ZS; Malvern Instruments, Malvern, UK).

53

1.4.4. Các phương pháp xác định tính chất quang

1.4.4.1. Phổ hấp thụ UV-Vis

Phƣơng pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis (Ultra violet - Visible) là

phƣơng pháp phân tích hiện đại đƣợc áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực thực phẩm và

hoá học. Phƣơng pháp cho kết quả phân tích nhanh với độ chính xác cao. Phổ hấp

thụ phân tử UV-Vis tuân theo định luật Bughe – Lambert – Beer:

A = - lgT = lg (I0/It) = εbC với T = It/I0

Trong đó: T là độ truyền qua của môi trƣờng, I0 là cƣờng độ của chùm tia

chiếu tới mẫu, It là cƣờng độ của chùm tia truyền qua môi trƣờng. Đại lƣợng lg(I0/It)

gọi là mật độ quang (OD) hay độ hấp thụ (A), là hệ số hấp thụ mol có giá trị bằng

mật độ quang của dung dịch khi nồng độ chất hấp thụ C bằng một đơn vị và độ dày

chất hấp thụ b bằng một đơn vị. Mỗi chất đều hấp thụ lọc lựa những tần số hay bƣớc

sóng khác nhau.

Đối với các dung dịch nano kim loại nói chung và nano vàng nói riêng thì

việc phân tích phổ hấp thụ UV-Vis (hay còn gọi là phổ hấp thụ plasmon) cho các

thông tin quan trọng về tính chất quang của chúng.

Hình 1.27. Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis

54

Hình 1.27 là sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ UV-Vis. Thông thƣờng ta quan tâm

tới độ truyền qua T. Đôi khi ngƣời ta quan tâm tới độ hấp thụ A. Phổ hấp thụ của

các mẫu trong luận án đƣợc đo trên thiết bị SHIMADZU- UV-2600 tại Viện Vật lý,

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

1.4.4.2. Kính hiển vi trường tối

Kính hiển vi trƣờng tối thƣờng đƣợc sử dụng để quan sát những vật liệu có bề

mặt mẫu có màu sắc không rõ ràng, khó phân biệt với môi trƣờng bằng cách tạo sự

tƣơng phản rõ nét giữa ảnh của vật trên nền tối để nâng cao khả năng quan sát của

mắt ngƣời hay của camera. Kính hiển vi trƣờng tối chủ yếu dùng quan sát mẫu bị

khúc xạ hay tán xạ mạnh.

Nguyên lý cấu tạo

Hình 1.28. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của kính hiển vi trường tối

Chùm ánh sáng từ nguồn tới màn chắn sáng trung tâm đƣợc chặn lại bởi tấm

chắn sáng để tạo nền đen trong trƣờng nhìn. Ánh sáng vòng ngoài đi qua màn chắn

tạo góc chiếu tới mẫu lớn. Ánh sáng này đƣợc hội tụ trên mẫu và truyền tới vật kính

để tạo ảnh của mẫu. Trong trƣờng nhìn, ảnh của mẫu sẽ là các đốm sáng trên một

nền tối. Với nguyên lý này, chỉ có ánh sáng nào đi qua mẫu, mang thông tin về mẫu

thì mới đóng góp vào việc tạo ảnh của mẫu.

55

Chƣơng 2

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CÁC HẠT NANO

VÀNG DẠNG CẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP NUÔI MẦM

2.1. Nguyên liệu hóa chất

Các hóa chất đƣợc sử dụng để chế tạo các hạt nano vàng dạng cầu đƣợc liệt

kê trong bảng 2.1.

Bảng 2.1. Các hóa chất dùng trong quá trình chế tạo hạt nano vàng dạng cầu.

TT Tên hóa chất Công thức phân tử Xuất xứ

1 Tetrakis(hydroxymethyl)

phosphonium chloride: 80% (THPC)

[(CH2OH)4P]Cl

Sigma-

Aldrich

2 Chloroauric acid: 99% HAuCl4 Merck

3 Sodium hydroxide: 99% NaOH Merck

4 Tri sodium citrate: 99% Na3C6H5O7 Merck

5 Kali cacbonat: > 99% K2CO3 Merck

6 Dung dịch Formaldehyde (Axitfomic):

37-38%

HCHO Merck

7 Nƣớc cất hai lần và nƣớc khử ion H2O Mini- Q

2.2. Chế tạo hạt vàng kích thƣớc nhỏ - vàng Duff-Baiker

Các hạt nano vàng với các dải kích thƣớc khác nhau đƣợc sử dụng trong các

ứng dụng khác nhau. Chẳng hạn nhƣ các hạt nano vàng nhỏ vài nanomet thƣờng

đƣợc sử dụng để làm các chất xúc tác hoặc để dẫn truyền gen. Trong nghiên cứu

này, các hạt vàng kích thƣớc 1-3 nm đƣợc tổng hợp theo phƣơng pháp của Duff-

56

Baiker [6]. Ngoài việc sử dụng vào các ứng dụng trên, các hạt nano vàng nhỏ còn

đƣợc sử dụng với hai mục đích: i) làm hạt mầm trong bƣớc nuôi đầu tiên để tổng

hợp nên các hạt vàng cầu có kích thƣớc lớn hơn; ii) sử dụng làm mầm để gắn lên

hạt lõi silica tạo hạt silica-mầm trong chế tạo nano vàng cấu trúc lõi silica/vỏ vàng.

Việc tổng hợp các hạt vàng nhỏ đã đƣợc chúng tôi trình bày chi tiết trong luận văn

thạc sỹ năm 2011 [126] và đƣợc trình bày ngắn gọn trong luận án này.

2.2.1. Quá trình chế tạo

Quy trình tạo hạt nano vàng dạng cầu kích thƣớc 1-3 nm theo phƣơng pháp

Duff-Baiker đƣợc biểu diễn theo sơ đồ dƣới đây:

Hình 2.1. Sơ đồ phản ứng tạo hạt vàng theo phương pháp Duff-Baiker

Các hạt nano vàng đƣợc hình thành theo cơ chế khử hóa học với chất khử là HCHO

đƣợc tạo ra từ phản ứng của THPC với NaOH. HCHO khử các ion Au3+

trong muối

vàng HAuCl4 thành các nguyên tử Au0. Các nguyên tử này kết hợp với nhau theo cơ

chế La Mer để hình thành các hạt nano vàng. Với sự có mặt của chất ổn định citrate,

các hạt nano vàng tạo ra có các nhóm chức bề mặt nhƣ –OH, -COO.

Quy trình trên đƣợc cụ thể hóa bằng các bƣớc nhƣ sau:

57

- Bước 1: đƣa 0.5 ml dung dịch THPC 0.047 M vào trong bình phản ứng chứa

22.5 ml dung dịch trisodium citrate 0.67%

- Bước 2: đƣa 200µl dung dịch NaOH 1 M vào bình phản ứng. THPC phản

ứng với NaOH tạo ra HCHO theo phƣơng trình sau [104].

[P(CH2OH)4]Cl + NaOH = P(CH2OH)3 + H2O + HCHO + NaCl (2.1)

Phản ứng này tạo ra các phân tử aldehyde formic HCHO dùng cho việc khử

muối vàng thành các nguyên tử vàng.

- Bước 3: đƣa 1 mL HAuCl4 0.025M vào bình phản ứng trên. Phản ứng khử

muối vàng hình thành nên các nguyên tử vàng xảy ra theo (2.2)

HAuCl4 +2 HCHO + 2 H2O = Au0 + 2 HCOOH + 4 HCl + ½ H2 (2.2)

Đồng thời NaOH trong dung dịch sẽ trung hòa các axit sinh ra theo phản ứng

2.3; 2.4

NaOH + HCl=NaCl + H2O (2.3)

NaOH + HCOOH =HCOONa + H2O (2.4)

Quá trình phản ứng đƣợc thực hiện ở nhiệt độ phòng khuấy từ với tốc độ 800

vòng/phút. Sau khi phản ứng kết thúc dung dịch nhận đƣợc có mầu nâu coca-cola

chứa các hạt nano vàng (gọi là các hạt vàng Duff-Baiker). Các hạt vàng này đƣợc

kiểm tra kích thƣớc bằng ảnh TEM và khảo sát đặc tính quang bằng phổ hấp thụ

UV – Vis [126].

2.2.2. Hình thái và tính chất quang

Hình 2.2 là ảnh TEM và phổ hấp thụ của các dung dịch hạt vàng Duff-Baiker

sau khi chế tạo.

58

300 400 500 600 7000

2

4

6

B­íc sãng(nm)

§é

hÊp t

hô

Hình 2.2. Ảnh TEM của hạt vàng Duff –Baiker, thang đo 20 nm(trái) và phổ hấp

thụ plasmon của chúng(phải).

Ảnh TEM cho thấy các hạt nano vàng đƣợc hình thành với kích thƣớc trung

bình cỡ 2 nm. Phổ hấp thụ plasmon của dung dịch hạt có đặc trƣng của các hạt nano

vàng nhỏ (dƣới 10 nm): phổ rộng với đỉnh cộng hƣởng nằm trong dải bƣớc sóng

505 nm – 510 nm.

Để biết đƣợc thời điểm thích hợp sử dụng các hạt nano vàng này cho quá

trình tổng hợp hạt vàng dạng cầu kích thƣớc lớn hơn hay cho quá trình chế tạo các

cấu trúc lõi/vỏ, chúng tôi khảo sát sự phát triển của hạt theo thời gian bảo quản.

Dung dịch hạt đƣợc bảo quản trong hai điều kiện khác nhau: ở nhiệt độ phòng và ở

40C. Hình 2.3 là ảnh TEM của mẫu đƣợc bảo quản ở 4

0C (2.3a) và mẫu đƣợc bảo

quản tại nhiệt độ phòng (2.3b). Kết quả cho thấy có sự khác biệt rất lớn về sự phát

triển của các hạt trong dung dịch khi đƣợc bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau: kích

thƣớc hạt của mẫu bảo quản ở 40C sau 21 ngày gần nhƣ không biến đổi so với mẫu

sau 1 ngày chế tạo; mẫu để ở nhiệt độ phòng thì có sự phát triển kích thƣớc nhanh

hơn, có thể đạt đến 5-7 nm, phân bố kích thƣớc trở nên rộng hơn và có cả hiện

tƣợng tụ đám. Điều này có thể lý giải nhƣ sau: trong dung dịch, các hạt keo luôn

chuyển động nhiệt hỗn loạn, nhiệt độ càng cao các hạt chuyển động càng nhanh nên

xác suất chúng gặp nhau, va chạm vào nhau và kết tụ lại với nhau là lớn hơn so với

ở nhiệt độ thấp.

59

Hình 2.3. Ảnh TEM của hạt vàng Duff-Baiker sau 21 ngày bảo quản ở 40C (ảnh a)

và bảo quản ở nhiệt độ phòng (ảnh b), thang đo 20 nm.

Nhƣ chúng ta đã biết yêu cầu khắt khe của phƣơng pháp nuôi mầm là đòi hỏi

chất lƣợng của mầm đầu vào đồng đều đơn phân tán vì vậy chúng tôi sẽ bảo quản

hạt vàng Duff-Baiker ở 40C để làm hạt mầm chế tạo các hạt nano vàng dạng cầu

kích thƣớc lớn hơn hoặc gắn kết lên trên các hạt silica để tạo hạt silica -mầm cho

quá trình hình thành hạt nano cấu trúc lõi silica/vỏ vàng.

2.3. Chế tạo các hạt nano vàng dạng cầu bằng phƣơng pháp nuôi mầm

Các hạt với kích thƣớc biến thiên trong dải rộng từ vài nanomet đến vài trăm

nanomet đã đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp nuôi mầm qua nhiều bƣớc nuôi theo

quy trình đƣợc trình bày trong sơ đồ hình 2.4.

Các hạt mầm vàng đƣợc đƣa vào trong dung dịch nuôi sau đó đƣa HCHO

vào để quá trình khử xảy ra tạo ra các nguyên tử vàng Au0. Các nguyên tử Au

0 này

hấp phụ trên các hạt mầm theo cơ chế La Mer để tạo thành các hạt lớn hơn. Sản

phẩm của bƣớc nuôi trƣớc có thể sử dụng làm mầm cho các bƣớc nuôi tiếp theo để

đạt đƣợc sản phẩm mới có kích thƣớc lớn hơn.

a b

60

Hình 2.4. Sơ đồ tổng hợp hạt nano vàng dạng cầu bằng phương pháp nuôi mầm

qua nhiều bước nuôi

Quá trình nuôi đƣợc tiến hành liên tiếp qua các bƣớc nuôi với nguyên tắc là

sản phẩm của bƣớc nuôi trƣớc đƣợc sử dụng để làm mầm cho bƣớc nuôi tiếp theo.

Kích thƣớc hạt nano vàng lớn lên sau mỗi bƣớc nuôi. Chúng tôi đƣa ra công thức

tính kích thƣớc của sản phẩm sau mỗi bƣớc nuôi dựa trên kích thƣớc hạt mầm,

nồng độ của các ion Au3+

trong dung dịch nuôi và nồng độ của hạt mầm.

(2.1)

Trong đó, di-1, di lần lƣợt là đƣờng kính của hạt mầm và của hạt nano vàng

sau bƣớc nuôi thứ i; Vdung dịch nuôi , Vmầm lần lƣợt là thể tích của dung dịch nuôi và của

dung dịch mầm đƣợc sử dụng trong một bƣớc nuôi, n là tỉ số nồng độ của Au3+

trong dung dịch nuôi và nồng độ hạt mầm trong dung dịch mầm. Điều này cho thấy

rằng ta hoàn toàn có thể điều khiển đƣợc kích thƣớc và nồng độ hạt bằng cách thay

đổi thể tích của dung dịch nuôi, dung dịch mầm và tỉ số nồng độ n. Tuy nhiên, hạt

mầm chỉ có thể phát triển một cách đồng nhất và đạt đƣợc kích thƣớc nhƣ mong

muốn khi có dung dịch nuôi và nồng độ mầm thích hợp.

61

2.3.1. Dung dịch nuôi

2.3.1.1. Chuẩn bị dung dịch nuôi

Các hạt mầm phát triển trong dung dịch nuôi bằng cách hấp phụ các nguyên

tử Au0 sinh ra trong dung dịch. Tuy nhiên để các hạt mầm có thể phát triển một

cách đồng nhất thì nồng độ các nguyên tử Au0 trong dung dịch phải đƣợc kiểm

soát. Mặt khác, tốc độ hình thành các nguyên tử Au0 phụ thuộc vào pH của dung

dịch. Vì vậy, chúng tôi sử dụng K2CO3 với các lƣợng khác nhau để điều khiển pH

dung dịch nuôi.

Dung dịch nuôi là các dung dịch vàng hydroxyde đƣợc tạo thành khi cho

K2CO3 vào trong dung dịch HAuCl4 để tạo thành các phức ion vàng. Các phản ứng

hóa học xảy ra theo các phƣơng trình sau:

K2CO3 + H2O = HCO3- +2K

+ + OH

- (2.5)

Khi đƣa dung dịch muối vàng HAuCl4 vào dung dịch K2CO3, tùy thuộc vào pH của

dung dịch mà các phức ion vàng khác nhau đƣợc tạo ra theo phƣơng trình:

HAuCl4+ (4-x)OH- = [AuClx(OH)4-x]

- +(4-x) Cl

-, x= 0-4 (2.6)

Dung dịch K2CO3 đƣợc đƣa vào bình phản ứng chứa dung dịch HAuCl4,

dung dịch đƣợc khuấy từ trong khoảng 2h, sau đó bảo quản ở 40C trong ít nhất hai

ngày để cho quá trình phản ứng xảy ra hoàn toàn. Khi đó pH của dung dịch không

thay đổi. Khi đƣa chất khử HCHO vào dung dịch nuôi này các phức ion vàng này

sẽ bị khử bởi HCHO để hình thành nên các phần tử nuôi là các nguyên tử Au0 theo

phƣơng trình sau:

2[AuClx(OH)4-x]- + (4-x)HCHO 2Au

0 + 2xCl

- +(4-x)HCOOH +(4-x)H2O (2.7)

Tốc độ của phản ứng khử (2.7) phụ thuộc mạnh vào pH của dung dịch vàng

hydroxyde tức là sự cạnh tranh của các ion Cl- với các ion OH

- trong phức hệ

[AuClx(OH)4-x]- phụ thuộc vào pH của dung dịch vàng hydroxyde. Theo các nghiên

cứu trƣớc đây, thì pH tối ƣu cho việc phản ứng này nằm trong khoảng 9.0-9.5 [69].

62

2.3.1.2. Xác định pH tối ưu của dung dịch nuôi vàng hydroxyde

Để khảo sát ảnh hƣởng của pH đến tốc độ phản ứng khử trong dung dịch nuôi,

chúng tôi đã chuẩn bị một dãy dung dịch vàng hydroxyde với các giá trị pH từ 4.5-

11.5.

Hình 2.5 trình bày phổ hấp thụ của các dung dịch vàng hydroxyde có pH khác

nhau sau 5 phút phản ứng khử xảy ra.

Hình 2.5. Phổ hấp thụ của các dung dịch nuôi có các giá trị pH khác nhau sau 5

phút phản ứng khử

Phổ hấp thụ trong vùng tử ngoại 200-300nm chủ yếu là do đóng góp của các

phức ion vàng [69]. Cƣờng độ phổ liên quan đến tốc độ tiêu thụ của các phức ion

vàng trong dung dịch hay nói cách khác nó cho biết tốc độ phản ứng khử cũng nhƣ

tốc độ hình thành các nguyên tử vàng trong dung dịch. Với pH < 6,59 và pH > 9,7

thì cƣờng độ hấp thụ rất cao, trong khi với dung dịch 8.3<pH<9.4 thì độ hấp thụ lại

thấp hơn hẳn. Điều này cho thấy nồng độ của các phức ion vàng trong dung dịch

pH< 6.59, và pH > 9,7 sau 5 phút đầu của phản ứng là rất nhiều, chứng tỏ tốc độ

phản ứng khử xảy ra chậm trong các dung dịch vàng hydroxyde với các giá trị pH

này và xảy ra nhanh hơn trong các dung dịch có pH trong khoảng từ 8.3 đến 9.4. Vì

63

vậy, chúng tôi chọn sử dụng dung dịch vàng hydroxyde có độ pH 9.4 để làm dung

dịch nuôi mầm.

2.3.2. Khảo sát sự phát triển của hạt khi thay đổi tỷ lệ nồng độ ion Au3+

trong

dung dịch nuôi và nồng độ hạt vàng trong dung dịch mầm

Để khảo sát ảnh hƣởng của tỷ lệ nồng độ ion Au3+

trong dung dịch nuôi và

nồng độ hạt vàng trong dung dịch mầm đến quá trình kiểm soát sự phát triển của

các hạt nano vàng, chúng tôi đã sử dụng loại hạt mầm là hạt vàng citrate [128], có

kích thƣớc là 19 nm, OD =1 tƣơng ứng với mật độ hạt là 5*1011

hạt/ml. Dung

dịch hạt vàng mầm citrate gốc với OD =1 đƣợc pha với nƣớc khử ion để tạo thành

các dung dịch có nồng độ hạt vàng mầm khác nhau nhƣng thể tích đƣợc giữ cố định

là 2 ml. Thể tích của dung dịch nuôi là 6ml, thể tích chất khử HCHO là 3µl. Các tỷ

lệ [Au+3

dịchnuôi]/[Aumầm] cũng nhƣ mật độ của hạt mầm tƣơng ứng đƣợc trình bày

trong bảng 2.2.

Bảng 2.2. Các thông số thí nghiệm khảo sát sự phát triển của hạt khi nồng độ mầm

thay đổi.

Kí hiệu

mẫu

Mật độ hạt

mầm vàng

citrate

(hạt/ml)

Thể tích dung

dịch nuôi (ml)

Thể tích

HCHO 37%

(µl)

Tỷ lệ [Au3+

]

trong dịch

nuôi/[Au] mầm

1 5*1011

6 3 3,5

2 2,5 * 1011

6 3 7,5

3 1,5*1011

6 3 12,5

4 9*1010

6 3 20,8

Kích thƣớc trung bình và hình dạng của các hạt sau một bƣớc nuôi đƣợc quan

sát bằng ảnh TEM.

64

Hình 2.6. Ảnh TEM của các mẫu Au-Ci 0 (mầm d =16±1,5nm), mẫu 1: d =

30±3nm, mẫu 2: d = 35 ± 3nm; mẫu 3: d= 45±5nm; mẫu 4: d = 65±7nm.

Kết quả ảnh TEM trình bày trên hình 2.6 cho thấy khi nồng độ hạt mầm trong

dung dịch nuôi càng giảm thì kích thƣớc hạt càng tăng. Theo tính toán (công thức

2.1), khi quá trình nuôi kết thúc hoàn toàn thì kích thƣớc các hạt nano vàng nhận

đƣợc tƣơng ứng với bốn tỉ lệ [Au3+

]/[Aumầm] sẽ là 29 nm; 37 nm; 44 nm; 52 nm. Có

thể nhận thấy, kích thƣớc trung bình của các hạt thu đƣợc từ ảnh TEM tƣơng đối

khớp với các giá trị theo tính toán khi tỷ lệ [Au3+

]/[Aumầm] đƣợc sử dụng dƣới 12.5.

Khi tỷ lệ này lớn hơn hoặc bằng 12.5 thì trong dung dịch xuất hiện thêm các hạt

nhân mới bên cạnh các hạt mầm (hình 2.6 - mẫu 3), hoặc các hạt đƣợc tạo ra không

còn dạng cầu nữa, kích thƣớc các hạt nano vàng thu đƣợc lớn hơn giá trị ƣớc tính

khoảng 13 nm (hình 2.6 – mẫu 4). Điều này có thể đƣợc giải thích theo cơ chế

LaMer [109]: khi nồng độ monomer trong dung dịch lớn là điều kiện thuận lợi cho

quá trình hình thành hạt nhân, do đó trong dung dịch sẽ xuất hiện thêm các hạt nhỏ

bên cạnh các hạt mầm, và kéo theo đó là sự kết tụ của chúng trên bề mặt các hạt lớn

một cách không đồng nhất, hình thành các hạt không có dạng cầu. Vì vậy việc phát

triển các hạt dạng cầu kích thƣớc khác nhau từ một loại hạt mầm có kích thƣớc cố

định ban đầu sẽ bị giới hạn đến một kích thƣớc nhất định. Tỷ lệ [Au3+

]/[Aumầm]

càng lớn thì hạt nhận đƣợc càng mất đi tính đối xứng cầu. Tỷ lệ khuyến cáo nên

dùng nhỏ hơn 12.5. Trong các công bố trƣớc đây tỷ lệ này đƣợc khuyến cáo nên

dùng ≤ 8 hay nói cách khác một bƣớc nuôi không nên tăng đƣờng kính lên quá 2 lần

đƣờng kính hạt mầm ban đầu [99].

65

2.3.3. Điều khiển kích thước hạt nano vàng lên tới 200 nm

Trên cơ sở khảo sát ảnh hƣởng của tỉ lệ nồng độ Au3+

trong dung dịch vàng

hydroxyde và nồng độ hạt vàng trong dung dịch mầm [Au3+

]/[Aumầm], chúng tôi tiến

hành tổng hợp các hạt nano vàng dạng cầu có kích thƣớc điều khiển đƣợc qua nhiều

bƣớc nuôi mầm. Với mục đích điều khiển kích thƣớc hạt trong một khoảng rộng từ

3 nm tới 200 nm, chúng tôi xuất phát từ một mầm vàng có đƣờng kính nhỏ 1-3 nm -

hạt vàng Duff-Baiker. Vì hạt vàng Duff-Baiker có độ đồng đều không cao nên các

hạt vàng này chỉ đƣợc sử dụng để tạo các hạt có kích thƣớc nhỏ dƣới 15 nm. Để đạt

đƣợc các hạt đƣờng kính từ 15 nm -200 nm chúng tôi sẽ sử dụng các hạt vàng

citrate [128] làm mầm ban đầu. Quá trình nuôi đƣợc tiến hành theo sơ đồ 2.4: một

lƣợng dung dịch hạt mầm đƣợc cho vào một thể tích dung dịch vàng hydroxyde, sau

đó thêm vào một lƣợng dung dịch HCHO. Hỗn hợp đƣợc khuấy từ ở nhiệt độ phòng

khoảng 30 phút để quá trình nuôi xảy ra hoàn toàn.

2.3.3.1. Phát triển kích thước hạt từ hạt vàng Duff-Baiker

Các hạt vàng Duff-Baiker đƣợc sử dụng làm hạt mầm ban đầu cho các bƣớc

nuôi với mong muốn phát triển kích thƣớc của hạt đến khoảng 15 nm.

Lƣợng các chất phản ứng đƣợc cho trong bảng 2.3, trong đó dung dịch nuôi

và tỉ lệ nồng độ giữa Au3+

và nồng độ mầm [Au3+

]/[Aumầm] đƣợc chọn phù hợp cho

việc phát triển hạt mầm vàng nhƣ đã xác định trong phần trên, ở đây chúng tôi sẽ sử

dụng tỷ lệ này nhỏ dƣới 8.

Bảng 2.3. Thể tích dung dịch nuôi và dung dịch mầm trong 4 bước nuôi sử dụng hạt

mầm ban đầu là hạt vàng Duff-Baiker. Lượng chất khử HCHO 37% trong mỗi bước

giữ không đổi 3µl.

Bƣớc nuôi 1 2 3 4

Dung dịch nuôi (ml) 6 6 6 6

Dung dịch mầm (ml) 4 8 8 12

66

Trong bƣớc 1, hạt mầm đƣợc sử dụng là hạt vàng Duff-Baiker đƣợc tạo ra

trong phần 2.2, các bƣớc tiếp theo đƣợc tiến hành với nguyên tắc là sử dụng hạt tạo

ra từ bƣớc ngay trƣớc đó làm hạt mầm để phát triển kích thƣớc ở bƣớc tiếp theo.

Hình thái và kích thƣớc các hạt đƣợc phản ánh qua ảnh TEM (hình 2.7). Sau

mỗi bƣớc nuôi kích thƣớc trung bình của các hạt tăng lên. Tuy nhiên, có thể thấy

đƣợc trên ảnh TEM khi các hạt lớn lên thì phân bố kích thƣớc cũng trở nên rộng hơn.

Hình 2.7. Ảnh TEM của hạt vàng mầm và sản phẩm của 4 bước nuôi.

Thang đo 100nm

Sự tăng về kích thƣớc hạt sau mỗi bƣớc nuôi đƣợc thấy rõ qua các số liệu

trong bảng 2.4 thông qua hai phép đo TEM và DLS. Chỉ số PdI trình bày trong bảng

2.4 cho thấy các hạt mầm và các hạt sản phẩm của bƣớc nuôi đầu tiên phân tán khá

tốt trong dung dịch (chỉ số PdI <0.1), còn các hạt sản phẩm của các bƣớc sau có chỉ

số PdI cao (> 0.1) và đa phân tán về kích thƣớc. Nhƣ vậy, để tổng hợp đƣợc các hạt

nano vàng dạng cầu có kích thƣớc đồng đều từ hạt vàng Duff-Baiker thì rất khó.

Điều này là do các hạt mầm ban đầu có kích thƣớc phân bố trong khoảng từ 1-3 nm,

vì vậy dùng chúng để làm mầm thì ở các bƣớc nuôi sau các hạt trong dung dịch sẽ

phát triển không đồng đều dẫn đến sự đa dạng về kích thƣớc hạt.

67

Bảng 2.4. Kích thước và chỉ số PdI của các dung dịch nano vàng nhận được từ

mầm Duff-Baiker sau các bước nuôi

Bƣớc nuôi Đƣờng kính TEM

(nm)

Đƣờng kính thủy

động học (nm)

PdI

0 2 2.5 0.035

1 4 5.0 0.085

2 6 8.4 Không đo

3 8 11.0 0.253

4 10 18.4 Không đo

Vì vậy, với mong muốn tổng hợp đƣợc các hạt nano vàng dạng cầu có kích

thƣớc biến thiên trong dải rộng để đa dạng hóa các ứng dụng của chúng, chúng tôi

đã sử dụng mầm ban đầu là một loại hạt nano vàng có kích thƣớc đồng đều hơn –

hạt vàng citrate đƣợc làm theo phƣơng pháp của Turkevich [20,128].

2.3.3.2. Phát triển kích thước hạt từ hạt vàng citrate

Hình 2.8 là ảnh TEM và phân bố kích thƣớc của hạt vàng citrate đƣợc chế

tạo theo phƣơng pháp Turkevich [128]. Các hạt tƣơng đối đồng đều về hình dạng và

kích thƣớc: đƣờng kính hạt nano vàng 19nm ±1 nm chiếm 82%. Các hạt nano vàng

này sẽ đƣợc sử dụng làm hạt mầm ban đầu để tổng hợp nên các hạt có kích thƣớc

lớn hơn bằng phƣơng pháp nuôi mầm. Quá trình này cũng đƣợc thực hiện theo sơ

đồ 2.4 và các bƣớc nuôi đƣợc đánh số bắt đầu từ 5 đến 22.

68

Hình 2.8. Ảnh TEM của hạt vàng citrate (a) với thang kích thước là 100 nm, phổ

phân bố kích thước hạt (b)

Sau mỗi bƣớc nuôi, sản phẩm tƣơng ứng đƣợc tạo thành. Các sản phẩm này đƣợc

khảo sát kích thƣớc và đặc tính quang qua phổ hấp thụ plasmon của chúng.

Bảng 2.5. Thể tích dung dịch nuôi và dung dịch mầm trong 18 bước nuôi từ bước 5

đến bước 22, hạt mầm ban đầu sử dụng là hạt vàng citrate. Lượng chất khử HCHO

37% trong mỗi bước giữ không đổi 3µl.

Bƣớc nuôi 5 6 7 8 9 ... 22

Dung dịch nuôi (ml) 6 6 6 6 6 ... 6

Dung dịch mầm (ml) 4 8 12 16 17 ... 17

i) Hình thái, kích thước hạt

Hình thái và kích thƣớc của hạt sau mỗi bƣớc nuôi đƣợc khảo sát bằng ảnh

TEM. Hình 2.9 cho các đặc trƣng về hình thái, kích thƣớc của hạt nano vàng sau

các bƣớc nuôi. Các hạt nano vàng đơn phân tán, tƣơng đối đồng đều về kích thƣớc

và có dạng tựa cầu với các đƣờng kính tăng dần theo từng bƣớc nuôi từ kích thƣớc

trung bình ban đầu của hạt mầm là 19 nm ± 1nm đến 200nm ± 10nm ở bƣớc nuôi

cuối cùng. Tuy nhiên đây chƣa phải là giới hạn kích thƣớc của hạt nano vàng đƣợc

69

tạo ra từ phƣơng pháp này, nhƣng vì các kích thƣớc lớn hơn bị hạn chế về mặt ứng

dụng nên chúng tôi không đề cập ở đây. Các kích thƣớc này phù hợp khá tốt với các

kích thƣớc đƣợc tính theo công thức (2.1) (bảng 2.6).

Hình 2.9. Ảnh TEM của các hạt nano mầm vàng citrate và sản phẩm thu được ở

các bước nuôi khác nhau với độ phóng đại 40000X, thang đo 100nm.

Các kết quả đo đƣờng kính thủy động học của các hạt trong các bƣớc nuôi

cũng gần với các kích thƣớc đo TEM và kích thƣớc theo tính toán. Chứng tỏ các hạt

thu đƣợc phân tán khá tốt trong các dung dịch.

Bảng 2.6 tập hợp các thông số thu đƣợc từ ảnh TEM (đƣờng kính TEM), phép đo

phân bố kích thƣớc hạt DLS (đƣờng kính thủy động học), phép đo hấp thụ (độ hấp

thụ -OD, đỉnh hấp thụ ) và kích thƣớc tính toán từ công thức (2.1)

70

Bảng 2.6. Tính toán kích thước, nồng độ, và các đặc tính quang của các hạt nano

vàng thu được sau các bước phát triển khác nhau

Bƣớc

nuôi

Đỉnh cộng

hƣởng

plasmon

lƣỡng cực

(nm)

Đỉnh cộng

hƣởng

plasmon tứ

cực (nm)

OD Nồng độ

(ml-1

)

Đƣờng kính

tính theo

công thức

(2.1) (nm)

Đƣờng kính

TEM

(nm)

Đƣờng kính

thủy động học

(nm)

PdI

5 518 - 1.3 2.0*1011 25.4 25±2 28.5 0.035

7 520 - 1.4 1.1*1011 30.6 30±2 30.6 0.046

9 527 - 1.7 3.0*1010 46.9 45±2 48.4 0.058

11 547 - 1.9 0.9*1010 70,2 70±3 75.0 0.053

13 561 - 1.9 0.5*1010 85.8 85±3 90.2 0.068

14 570 - 1.8 0.4*1010 94.9 95±3 95.9 0.023

16 625 - 0.9 1.2*109 140.0 143±4 157.8 0.087

17 544 636 0.7 8.7*108 157.1 155±4 160.3 0.025

22 559 732 0.5 4.7*108 192,2 190±5 219.5 0.098

Các thông số về đỉnh cộng hƣởng plasmon và mật độ quang OD đƣợc lấy từ

phổ hấp thụ plasmon của các dung dịch hạt. Nồng độ hạt sau mỗi bƣớc nuôi đƣợc

xác định dựa vào nồng hạt mầm đƣa vào với giả thiết rằng số hạt mầm đƣợc nuôi

bằng số hạt tạo ra sau mỗi bƣớc nuôi (nghĩa là không có hạt nhân mới tạo thành).

Nồng độ của hạt mầm vàng đƣợc xác định từ kích thƣớc ảnh TEM và nồng độ Au3+

sử dụng để tạo hạt với giả thiết hiệu suất phản ứng là 100%. Đƣờng kính thủy động

học và chỉ số PdI đƣợc lấy từ phép đo DLS.

Các kích thƣớc thu đƣợc từ tính toán, ảnh TEM và phép đo DLS là tƣơng đối

phù hợp với nhau bảng 2.6. Điều này một lần nữa cho thấy rằng bằng phƣơng pháp

nuôi mầm, sử dụng các mầm là vàng Duff-Baiker và vàng citrate, dung dịch nuôi là

71

vàng hydroxide pH 9.4, chúng tôi hoàn toàn có thể phát triển các hạt nano vàng ở

nhiệt độ phòng tới các kích thƣớc mong muốn (từ vài đến vài trăm nanomet) và chất

lƣợng sản phẩm (độ đồng đều, độ đơn phân tán) là tƣơng đối tốt.

ii) Đặc trưng plasmonic

Để khảo sát đặc trƣng quang của các hạt nano vàng cầu với các kích thƣớc

khác nhau, chúng tôi khảo sát phổ cộng hƣởng plasmon của các dung dịch hạt thu

đƣợc khi nuôi từ hạt mầm Duff-Baiker (các hạt nhỏ dƣới 10 nm) và cả các dung

dịch hạt thu đƣợc khi nuôi từ hạt mầm citrate (các hạt từ 19 nm trở lên)

Hình 2.10A trình bày các phổ hấp thụ cộng hƣởng plasmon của các dung

dịch nano vàng kích thƣớc nhỏ thu đƣợc sau 3 bƣớc nuôi đầu tiên. Từ hình này

chúng tôi đƣa ra nhận xét sau đây: với các hạt dƣới 10nm (hạt mầm và sản phẩm

của bƣớc nuôi 1-3) có phổ plasmon rộng, các hạt càng nhỏ thì phổ plasmon càng

mở rộng (đỉnh cộng hƣởng nằm trong một dải dài của bƣớc sóng). Điều này đƣợc

giải thích trong mục 1.1.2 và ngắn gọn nhƣ sau: các hạt nhỏ dƣới 10nm, các điện tử

có thể tán xạ trên bề mặt và mất tính đồng pha nhanh hơn là đối với hạt có kích

thƣớc lớn hơn. Do đó, độ rộng phổ plasmon tăng khi bán kính của hạt giảm. Sự mở

rộng phổ plasmon của hạt nano kim loại có thể đƣợc mô hình hóa bởi công thức

(1.17) [83,102]:

R

VR F

oobs

)(

Các dung dịch hạt có kích thƣớc lớn hơn từ 25 nm 140 nm tƣơng ứng với các

sản phẩm của bƣớc nuôi thứ 5 đến bƣớc nuôi thứ 16, phổ hấp thụ cộng hƣởng

plasmon của chúng có một đỉnh cộng hƣởng nằm trong khoảng 518 nm đến 625nm

(hình 2.10C). Sau mỗi bƣớc nuôi đỉnh hấp thụ plasmon dịch đỏ, kích thƣớc hạt càng

lớn thì đỉnh hấp thụ plasmon càng dịch về phía sóng dài. Đồng thời, cũng có thể

nhận thấy độ rộng bán phổ của các phổ này hẹp hơn nhiều so với phổ của các hạt

kích thƣớc nhỏ (dƣới 10nm) và trong dải kích thƣớc này độ rộng bán phổ tăng theo

sự tăng của kích thƣớc hạt. Điều này đã đƣợc giải thích bằng lý thuyết Mie: trong

72

trƣờng hợp kích thƣớc của hạt lớn hơn song vẫn rất nhỏ so với bƣớc sóng ánh sáng

thì sự tƣơng tác của ánh sáng với hạt nano kim loại đƣợc xem nhƣ tƣơng tác của

trƣờng tĩnh điện với một lƣỡng cực điện. Các hạt càng lớn thì các mode dao động

bậc cao với mức năng lƣợng thấp càng trở nên đáng kể, kết quả là dẫn đến sự mở

rộng phổ cộng hƣởng plasmon về phía sóng dài khi kích thƣớc hạt tăng.

Hình 2.10. Phổ cộng hưởng plasmon của các dung dịch keo vàng kích thước nhỏ từ

bước nuôi 1 đến bước nuôi 3 (A), phổ cộng hưởng plasmon của các dung dịch keo

vàng kích thước lớn từ bước 17 đến bước 22 (B ) và phổ chuẩn hóa của các dung

dịch từ bước nuôi thứ 5 đến bước nuôi thứ 16 (C).

Các dung dịch hạt có đƣờng kính trung bình trên 140 nm (sản phẩm của các

bƣớc nuôi 17 đến 22) thì phổ hấp thụ plasmon có hai đỉnh (hình 2.10 B). Đây là kết

B

C

73

quả của sự tƣơng tác giữa sóng điện từ tới với hạt nano kim loại lớn. Khi kích

thƣớc hạt lớn đến mức có thể so sánh đƣợc với bƣớc sóng ánh sáng thì phổ cộng

hƣởng plasmon là sự chồng chập của các dao động lƣỡng cực và dao động tứ cực

của điện tử trên bề mặt hạt, dẫn đến sự hình thành hai đỉnh cộng hƣởng trong phổ

plasmon của các dung dịch hạt nhƣ đã giải thích trong mục 1.1.2. Điều này có thể

đƣợc minh họa trên hình 2.11 khi tách phổ hấp thụ cộng hƣởng plasmon của các

dung dịch hạt nano vàng thành hai phổ hấp thụ tƣơng ứng với hai đỉnh cộng hƣởng

plasmon là đóng góp của dao động lƣỡng cực (bƣớc sóng ngắn: 550 nm đối với

bƣớc nuôi thứ 17, 570 nm đối với bƣớc nuôi 22) và của dao động tứ cực (bƣớc sóng

dài: 650 nm đối với bƣớc nuôi thứ 17 và 720 nm đối với bƣớc nuôi thứ 22). Thậm

chí đối với các hạt nano vàng có kích thƣớc lớn, chẳng hạn nhƣ các hạt sản phẩm

của bƣớc thứ 22 thì ngoài dao động lƣỡng cực và tứ cực còn có thể có các dao động

bậc cao hơn. Điều này thể hiện ở độ rộng phổ hấp thụ plasmon đƣợc quy cho là

đóng góp của dao động tứ cực là khá lớn.

Hình 2.11. các phổ hấp thụ tương ứng với các dao động lưỡng cực và dao động tứ

cực được tách ra từ phổ hấp thụ của các dung dịch hạt sản phẩm của bước nuôi 17

(trái) và bước nuôi 22 (phải).

Các kết quả này cũng phù hợp với các công bố trong các tài liệu [79,99] và là

một minh chứng cho tính đúng đắn của lý thuyết Mie khi giải bài toán cho sự tƣơng

tác của sóng ánh sáng với hạt nano kim loại.

74

iii) Tính toán các đặc tính quang của các hạt nano vàng dạng cầu

Nhƣ đã trình bày trong phần tổng quan về đặc tính quang của các hạt nano

kim loại, hạt nano vàng cầu có các tính chất quang phụ thuộc vào kích thƣớc của

chúng. Khi kích thƣớc của các hạt là nhỏ thì các hạt hấp thụ ánh sáng nhiều hơn là

tán xạ. Các hạt càng lớn thì tán xạ ánh sáng càng mạnh bởi vì theo lý thuyết Mie

thiết diện tán xạ tỷ lệ với lũy thừa bậc 6 của đƣờng kính hạt, trong khi thiết diện

hấp thụ tỷ lệ với lũy thừa bậc 4 của đƣờng kính hạt. Các dữ liệu nhƣ hệ số khúc xạ,

hệ số dập tắt của hạt đƣợc lấy dữ liệu từ [122] và sử dụng phần mềm tính [110] trên

cơ sở của lý thuyết Mie cho lƣỡng cực điện, chúng tôi có đƣợc kết quả về thiết diện

dập tắt và thiết diện tán xạ của các hạt nano vàng với các kích thƣớc khác nhau

đƣợc trình bày trong bảng 2.7

Bảng 2.7. Các thông số quang của các dung dịch hạt keo vàng với một số kích thước

khác nhau

Bƣớc

nuôi

Đƣờng

kính hạt

(nm)

Bƣớc sóng

cộng hƣởng

plasmon (nm)

Thiết diện tán

xạ (m2)

Thiết diện

hấp thụ

(m2)

Thiết diện

dập tắt (m2)

7 30 520 1,1625E-17 1,06E-15 1,07E-15

9 45 527 1,5162E-16 3,66E-15 3,81E-15

11 70 547 2,430E-15 1,094E-14 1,337E-14

14 95 570 1,248E-14 1,623E-14 2,871E-14

16 145 625 6,713E-14 1,279E-14 7,992E-14

75

Hình 2.12. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tiết diện dập tắt và tiết diện hấp thụ

của hạt nano vàng vào đường kính của hạt

Trên đồ thị hình 2.12 cho thấy rõ sự phụ thuộc của tiết diện hấp thụ và tiết

diện tán xạ của hạt nano vàng cầu vào kích thƣớc của chúng. Có thể nhận thấy khi

đƣờng kính hạt tăng lên thì tiết diện tán xạ và tiết diện hấp thụ của hạt cũng tăng

theo. Khi các hạt còn nhỏ thì tiết diện hấp thụ lớn hơn tiết diện tán xạ, nhƣng khi

đƣờng kính hạt lớn hơn 95 nm thì tiết diện tán xạ chiếm ƣu thế hơn hẳn tiết diện hấp

thụ và đóng góp chủ yếu vào quá trình dập tắt quang của các hạt nano vàng.

Hình 2.13. Sự phụ thuộc của tiết diện tắt của các hạt nano vàng dạng cầu vào

đường kính của hạt

76

Đƣờng màu đen trên hình 2.13 thể hiện sự phụ thuộc của tiết diện tắt của hạt

vào kích thƣớc hạt đƣợc tính theo công thức (1.5) của lý thuyết Mie. Trong đó các

thông số về bƣớc sóng, hàm điện môi của hạt và hằng số điện môi của môi trƣờng

đƣợc lấy từ [122]. Đƣờng màu đen là sự phụ thuộc của tiết diện tắt vào kích thƣớc

hạt đƣợc tính theo các số liệu thực nghiệm, trong đó tiết diện tắt đƣợc xác định từ

công thức (1.13)

A () đƣợc xác định từ phổ hấp thụ plasmon, N là nồng độ của hạt đƣợc xác

định từ các số liệu đầu vào trong quá trình chế tạo, l độ dày cuvet chứa dung dịch

hạt. Đƣờng màu xanh là sự phụ thuộc của tiết diện tắt của hạt thƣơng phẩm vào kích

thƣớc hạt. Kết quả cho thấy kết quả thực nghiệm phù hợp khá tốt với kết quả tính

toán theo lý thuyết Mie và với kết quả của các hạt vàng thƣơng phẩm. Nhƣ vậy có

thể nói chúng tôi đã hoàn toàn làm chủ đƣợc công nghệ chế tạo hạt nano vàng dạng

cầu với các kích thƣớc kiểm soát đƣợc trong dải rộng từ vài nanomet đến vài trăm

nanomet.

Kết luận chƣơng 2

Các hạt nano vàng dạng cầu kích thƣớc thay đổi từ vài nano mét đến 200

nanomet đã đƣợc chế tạo tại nhiệt độ phòng bằng phƣơng pháp “nuôi” mầm, sử

dụng các mầm là các hạt vàng Duff-Baiker kích thƣớc 1-3 nm và vàng citrate kích

thƣớc 19 1 nm, với dung dịch nuôi chứa các phức ion vàng [AuClx(OH)4-x]-. Các

đặc trƣng quang của hạt vàng sản phẩm nhƣ hình thái, kích thƣớc, độ đơn phân tán

và tính chất quang đã đƣợc khảo sát. Các tính toán lý thuyết về tiết diện dập tắt, tán

xạ và hấp thụ phụ thuộc kích thƣớc hạt hoàn toàn phù hợp với các kết quả thu đƣợc

từ thực nghiệm.

77

Chƣơng 3

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CẤU

TRÚC NANO LÕI SILICA VỎ VÀNG SiO2/Au

3.1. Nguyên liệu hóa chất -Quy trình chế tạo

Bảng 3.1. Các hóa chất dùng trong quá trình chế tạo các hạt nano cấu trúc lõi

silica vỏ vàng (SiO2/Au).

TT Tên hóa chất Công thức phân tử Xuất xứ

1 Tetraethyl orthosilicate≥99%

(TEOS)

SiC8H20O4 Sigma –

Aldrich.

2 Chloroauric acid: 99% HAuCl4 Merck

3 Sodium hydroxyde: 99% NaOH Merck

4 Tri sodium citrate: 99% Na3C6H5O7 Merck

5 Kali cacbonat:> 99% K2CO3 Merck

6 Dung dịch Formaldehyde

(Axitfomic): 37-38%

HCHO Merck

7 Aminopropyl triethoxyl silane >

98%.

(APTES)

(C2H5O)3-Si-C3H6-NH2 Merck

8 Amoniac: 28 -30 % NH4OH Sigma –

Aldrich

9 Ethanol 99,9% C2H5OH Merck.

10 Nƣớc cất hai lần và nƣớc khử ion H2O Mini- Q

78

Quy trình chế tạo

Với mục đích chế tạo hạt nano đa chức năng lõi silica vỏ vàng, phƣơng pháp

phát triển các mầm vàng trên bề mặt hạt nano silica (mục 1.2.3) đã đƣợc chọn để

thực hiện và đƣợc trình bày trên hình 3.1. Các bƣớc trong phƣơng pháp tổng hợp

này bao gồm:

Tạo hạt nano silica bằng phƣơng pháp Stober và amin hóa bề mặt hạt nano

silica để tạo bề mặt tích điện dƣơng

Tạo các hạt nano vàng mầm Duff-Baiker (mục 2.2)

Gắn các hạt vàng mầm lên bề mặt của hạt silica

Phát triển hạt vàng nhỏ trên hạt lõi silica để tạo lớp vỏ vàng

Hình 3.1. Sơ đồ chế tạo hạt nano SiO2/Au theo quy trình 4 bước

Trong quy trình này, hạt nano silica đƣợc chế tạo theo phƣơng pháp Stober từ

tiền chất tetraethoxylsilane (TEOS) trong dung môi ethanol và xúc tác NH4OH.

Phƣơng pháp này cho phép chúng tôi dễ dàng điều chỉnh kích thƣớc của hạt silica

Silica –Mầm

79

bằng việc thay đổi lƣợng NH4OH [78,114]. Các hạt nano silica có bề mặt tích điện

âm do có các nhóm – OH, do đó cần chức năng hóa bề mặt chúng bởi các nhóm tích

điện dƣơng để tạo khả năng hấp phụ các hạt vàng mầm. Vì vậy, các hạt nano silica

thu đƣợc sau quá trình thủy phân và ngƣng tụ TEOS đƣợc tiếp tục phản ứng với tiền

chất aminopropyl triethoxyl silane (APTES) để tạo ra các hạt nano silica với các

nhóm amin –NH2 trên bề mặt.

Tiếp theo, các hạt vàng mầm Duff -Baiker đƣợc đƣa vào trong dung dịch chứa

các hạt nano silica –NH2 để tạo ra các hạt silica – vàng mầm.

Bƣớc cuối cùng là phát triển các hạt vàng mầm trên hạt lõi silica thành lớp vỏ

vàng, hình thành nên hạt cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au. Các hạt vàng mầm trên hạt nano

silica đƣợc phát triển trong dung dịch nuôi là dung dịch có chứa các phức ion vàng

[AuClx(OH)4-x]- đƣợc chuẩn bị nhƣ trong phần 2.3.1 chƣơng 2. Quá trình nuôi này

có cùng bản chất với quá trình nuôi mầm để tạo ra các hạt nano vàng dạng cầu đã

trình bày trong chƣơng 2.

3.2. Chế tạo và amin hóa hạt nano silica bằng phƣơng pháp Stober

3.2.1. Thí nghiệm chế tạo và amin hóa hạt nano silica

Quy trình chế tạo và chức năng hóa hạt nano silica đƣợc thực hiện ở nhiệt độ

phòng theo các bƣớc sau đây:

+ Bƣớc 1: Trộn 15ml ethanol với lƣợng NH4OH cần thiết, khuấy từ.

+ Bƣớc 2: Thêm 150 µl TEOS, khuấy từ trong 24h.

+ Bƣớc 3: Thêm 10 µl APTEOS khuấy từ tiếp 24h.

Sau bƣớc 2 chúng ta nhận đƣợc các hạt nano silica với kích thƣớc phụ thuộc

vào lƣợng NH4OH đƣa vào. Quá trình chức năng hóa bề mặt các hạt silica đƣợc

tiến hành sau khi phản ứng tạo hạt kết thúc hoàn toàn bằng việc đƣa thêm tiền chất

của silan APTES có chứa các nhóm chức năng mong muốn là amin trên bề mặt

hạt. Quy trình chế tạo hạt nano silica bằng phƣơng pháp Stober đƣợc thể hiện trên

hình 3.2

80

Hình 3.2. Sơ đồ chế tạo và amin hóa hạt silica bằng phương pháp Stober

3.2.1.1. Tạo hạt nano silica bằng phương pháp Stober

Các hạt nano silica đƣợc tạo thành từ các phản ứng thủy phân và ngƣng tụ của

tiền chất TEOS trong ethanol với sự có mặt của NH4OH. Các phƣơng trình của quá

trình thủy phân và ngƣng tụ tiền chất TEOS nhƣ sau:

Phản ứng thủy phân

Si(OC2H5)4 + xH2O Si(OC2H5)4-x(OH)x + xC2H5OH (3.1)

Phản ứng ngƣng tụ

= Si – OC2H5 + HO – Si = = Si – O – Si= +C2H5OH (3.2)

= Si – OH + HO – Si = = Si – O – Si = + H2O (3.3)

Phản ứng tổng thể đƣợc viết lại là:

Si(OC2H5)4 + 2 H2O SiO2 +4C2H5OH (3.4)

81

Trong các phản ứng này NH4OH chỉ đóng vai trò là chất xúc tác. Có thể thấy

đƣợc lƣợng nƣớc ảnh hƣởng nhiều đến quá trình tạo hạt. Kích thƣớc hạt có thể thay

đổi bằng cách thay đổi lƣợng nƣớc hoặc gián tiếp thông qua việc thay đổi lƣợng

NH4OH 30% [78,114]. Nhằm mục đích chế tạo các hạt nano silica có kích thƣớc

thay đổi từ 40 nm đến 150 nm, lƣợng NH4OH đƣợc thay đổi từ 0.9 ml đến 1.3 ml.

3.2.1.2 Chức năng hóa bề mặt hạt nano silica bằng các phân tử APTES

Trên bề mặt hạt nano silica có các nhóm chức là hydroxyl (–OH) và các

nhóm alkoxide (O-C2H5). Các hạt này đƣợc amin hóa bề mặt bởi các phân tử

APTES theo quy trình đƣợc mô tả trên hình 3.2: 10 l dung dịch APTES đƣợc đƣa

vào dung dịch chứa các hạt nano silica, khuấy từ 24 h để amin hóa bề mặt hạt. Khi

đó sẽ xảy ra quá trình thủy phân và ngƣng tụ giữa APTES với các nhóm –OH, O-

C2H5 trên bề mặt các hạt nano silica để tạo các hạt nano silica với các nhóm chức

amin - NH2 trên bề mặt. Các phản ứng đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

= Si – OH + C2H5-O-Si-(CH2)3-NH2 =Si –O- Si-(CH2)3-NH2 (3.5a)

= Si – OC2H5 + HO-Si-(CH2)3-NH2 =Si –O- Si-(CH2)3-NH2 (3.5b)

Các đặc trƣng kích thƣớc và hình thái hạt đƣợc xác định bằng ảnh TEM. Phân

bố kích thƣớc cũng nhƣ độ đơn phân tán đƣợc kiểm tra bằng phép đo DLS. Điện

tích bề mặt hạt trƣớc và sau khi chức năng hóa đƣợc xác định bằng thế Zeta.

3.2.2. Kết quả tổng hợp hạt lõi nano silica

Hình 3.3 trình bày ảnh TEM của các hạt nano silica trƣớc và sau khi chức

năng hóa bề mặt với các kích thƣớc khác nhau tùy thuộc vào lƣợng NH4OH đã đƣợc

sử dụng

82

Hình 3.3. Ảnh TEM của các hạt nano silica được làm với lượng NH4OH khác

nhau: 900 µl; 1000µl; 1100µl; 1200µl; 1300µl (từ trái sang phải) trước (hàng trên)

và sau (hàng dưới) khi chức năng hóa bề mặt với APTES các tại thang đo 100nm

với độ phóng đại 40000 lần.

Các ảnh đƣợc chụp với cùng độ phóng đại 40 nghìn lần. Kết quả cho thấy

các hạt nano silica tạo ra có dạng tựa cầu, kích thƣớc khá đồng đều và đơn phân tán.

Phép đo TEM cho kết quả là kích thƣớc hạt nano silica hầu nhƣ không thay đổi

trƣớc và sau khi sử dụng APTES chức năng hóa bề mặt hạt.

Phân bố phân bố kích thƣớc của các hạt nano silica sau khi đƣợc amin hóa bề

mặt đƣợc cho trên hình 3.4. Các kích thƣớc khác nhau từ 45 nm đến 150 nm đều có

phổ phân bố kích thƣớc khá hẹp, chứng tỏ các hạt tƣơng đối dồng đều về kích

thƣớc. Các thông số về đƣờng kính, chỉ số đa phân tán, mật độ hạt và thế Zeta của

các hạt đƣợc thể hiện trong bảng 3.2

83

a) d=45 nm b) d =65 nm

c) d =110 nm d) d = 130 nm

e) d =150 nm

Hình 3.4. Giản đồ phân bố kích thước hạt của các hạt silica chức năng hóa bề mặt

với các lượng NH4OH khác nhau: a) 900 µl; b) 1000 µl; c) 1100 µl; d) 1200 µl; e)

1300 µl.

84

Các thông số trong bảng 3.2 cho thấy khi lƣợng NH4OH tăng từ 900 µl tới

1300 µl với bƣớc nhảy 100 µl thì kích thƣớc của các hạt silica tăng lên tƣơng ứng là

a) 45±3nm;b) 65±5nm; c)110±5nm; d) 130±5nm; e) 150±5nm.

Bảng 3.2. Tổng hợp các kết quả đo kích thước hạt từ ảnh TEM, PdI, đường kính

thủy động và nồng độ các hạt silica được chức năng hóa bề mặt

Tên

mẫu

NH4OH

(µl)

Thế

Zeta

trƣớc

amin

hóa

(mV)

Thế

zeta sau

amin

hóa

(mV)

Mật độ

hạt

(hạt/ml)

Kích

thƣớc

TEM

(nm)

Các thông số DLS

Trƣớc amin hóa Sau amin hóa

Đƣờng

kính thủy

động học

(nm)

PdI

Đƣờng

kính thủy

động học

(nm)

PdI

SEA

900 900 -43 -10 4.3 10

14 45 ±3 54 0.063 91 0.192

SEA

1000 1000 -42 -20 1.5 10

14 65 ±5 75 0.023 98 0.067

SEA

1100 1100 -43 -24 2.8 10

13 110 ±5 111 0.052 104 0.029

SEA

1200 1200 -42 -25 1.7 10

13 130 ±5 133 0.013 138 0.028

SEA

1300 1300 -43 -26 1.1 10

13 150 ±5 163 0.013 190 0.028

Điều này chứng tỏ các hạt phân tán tốt trong dung dịch. Bảng 3.2 cho thấy chỉ

số PdI của các hạt nano silica trƣớc và sau chức năng hóa. Trƣớc khi chức năng hóa

các hạt phân tán rất tốt với giá trị PdI của các hạt đều nhỏ hơn 0.1. Đƣờng kính thủy

động học của hạt silica tƣơng đƣơng với đƣờng kính hạt tƣơng ứng nhận đƣợc từ

phép đo TEM. Các giá trị PdI của các hạt sau chức năng hóa có xu hƣớng tăng nhẹ

85

nhƣng đều nhỏ hơn 0.1, ngoại trừ các hạt kích thƣớc nhỏ 45±3 nm có giá trị PdI lớn

hơn 0.1 (0.192) nhƣng vẫn trong giới hạn đơn phân tán (PdI < 0.2). Sự tăng PdI của

các hạt nhỏ có thể giải thích là do nồng độ các hạt nhỏ trong dung dịch lớn hơn

nồng độ các hạt lớn nên xác suất để các hạt nhỏ va chạm và kết tụ lại với nhau là

cao hơn so với các hạt lớn.

Mặt hạt cho thấy thế Zeta của tất cả các mẫu silica đều dƣơng hơn sau khi

chức năng hóa bề mặt hạt với các phân tử APTES: từ -42 mV, -43 mV đối với các

hạt trƣớc chức năng hóa tăng lên -10 mV, -26 mV (bảng 3.2). Thế Zeta dƣơng hơn

liên quan đến số lƣợng các nhóm –NH2 tăng lên, số lƣợng nhóm –OH giảm đi trên

bề mặt hạt. Các kết quả trên cho thấy chúng tôi đã chức năng hóa thành công các

hạt nano silica với nhóm chức –NH2. Các hạt này sẽ đƣợc sử dụng làm hạt lõi cho

quá trình tạo hạt nano cấu trúc lõi/vỏ: silica /vàng trong các bƣớc tiếp theo.

3.3. Chuẩn bị hạt silica – vàng mầm

Để chuẩn bị cho bƣớc tạo lớp vỏ vàng, các hạt nano vàng mầm Duff- Baiker

1-3 nm, đƣợc đƣa vào trong dung dịch chứa hạt nano silica để hấp phụ trên bề mặt

hạt silica thông qua tƣơng tác tĩnh điện tạo hạt lõi silica – vàng mầm. Với mục đích

đƣa các hạt vàng nhỏ lên hạt silica đƣợc đồng đều, dung dịch vàng Duff-Baiker

đƣợc dùng dƣ hơn nhiều so với lƣợng vàng đủ bám một lớp kín trên bề mặt hạt

silica. Hỗn hợp này sau đó đƣợc ủ ở nhiệt độ phòng trong khoảng thời gian cần thiết

để các hạt vàng có thể bám đều lên hạt lõi. Các vàng Duff-Baiker trên bề mặt hạt

nano silica thực tế là các hạt mầm của quá trình phát triển lớp vỏ vàng. Hạt silica

kích thƣớc 150 nm đƣợc sử dụng để khảo sát ảnh hƣởng của các nhóm chức bề mặt

hạt silica đến khả năng hấp phụ hạt nano vàng mầm, đồng thời cũng dùng để khảo

sát thời gian ủ cần thiết để hạt nano vàng mầm hấp phụ tối đa trên hạt lõi silica.

3.3.1. Hấp phụ của hạt vàng Duff-Baiker lên hạt silica có hóa học bề mặt khác

nhau

Để khảo sát khả năng hấp phụ của hạt vàng nhỏ trên các hạt silica có các

nhóm chức bề mặt khác nhau, 1ml dung dịch chứa các hạt nano silica nồng độ 1013

86

hạt/ml trƣớc và sau khi chức năng hóa với APTES đƣợc đƣa vào 3ml dung dịch hạt

vàng Duff-Baiker nồng độ 1016

hạt/ml. Các nhóm chức bề mặt khác nhau đó là

nhóm OH trên bề mặt hạt silica trƣớc khi chức năng hóa và nhóm NH2 trên bề mặt

hạt nano silica sau khi chức năng hóa. Hình 3.5 trình bày ảnh TEM của các hạt

silica – vàng mầm đƣợc tạo ra từ các hạt silica có nhóm chức -OH trên bề mặt (hình

3.5 a) và có nhóm chức -NH2 trên bề mặt (hình 3.5b) trong cùng điều kiện. Ảnh

TEM cho thấy khi các hạt nano silica chỉ có các nhóm –OH trên bề mặt thì có rất ít

các hạt nano vàng bám lên hạt và bám không đồng đều (hình 3.5a). Trong khi đó

các hạt nano silica có các nhóm –NH2 trên bề mặt thì các hạt nano vàng Duff-

Baiker bám lên nhiều và đồng đều (hình 3.5b).

Hình 3.5. Ảnh TEM của các hạt nano silica trước a) và sau b) chức năng hóa bề

mặt bằng APTES khi được ủ với các hạt nano vàng Duff- Baiker trong cùng điều

kiện. Độ phóng đại 40 nghìn lần.

Các hạt nano vàng hấp phụ nhiều trên bề mặt hạt nano silica có nhóm –NH2 là

do có tƣơng tác tĩnh điện giữa các nhóm chức amin -NH2 trên bề mặt hạt nano silica

và nhóm cacboxyl COO- trên bề mặt hạt nano vàng Duff-Baiker. Các hạt nano

silica chƣa đƣợc chức năng hóa có các nhóm hydroxyl –OH trên bề mặt tích điện

âm vì vậy các hạt nano vàng tích điện âm không thể hấp phụ lên bề mặt các hạt loại

này. Kết quả này một lần nữa gián tiếp khẳng định sự thành công trong việc chức

năng hóa bề mặt silica bởi các phân tử APTES.

87

3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian ủ tới quá trình hấp phụ các hạt nano vàng mầm lên

hạt lõi nano silica.

Hình 3.6 Ảnh TEM của các hạt silica kích thước 150 nm sau khi ủ với vàng Duff-

Baiker trong các thời gian a) 1h; b)3h; c) 4h; d)24h. Độ phóng đại 40000 lần,

thang đo 100nm

Các hạt nano vàng đƣợc ủ với các hạt nano silica trong các thời gian ủ khác

nhau: 1h; 3h; 4h và sau 24h và chụp ảnh TEM để xác định tình trạng hấp phụ của

các hạt nano vàng lên bề mặt của hạt nano silica (hình 3.6). Kết quả cho thấy chỉ

sau khi ủ 1h đã có nhiều hạt nano vàng hấp phụ lên bề mặt các hạt nano silica. Kéo

dài thời gian ủ tới 3h, 4h và sau 24h, các hạt nano vàng bám nhiều hơn trên bề mặt

lõi silica, tuy nhiên không có sự khác biệt lớn về khả năng hấp phụ của các hạt nano

vàng tại các thời điểm khác nhau. Vì vậy chúng tôi chọn thời gian ủ để hạt nano

vàng nhỏ hấp phụ trên hạt nano silica là 2h đến 3h.

88

3.4. Chế tạo các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ silica/vàng

Để tạo thành các hạt có cấu trúc lõi silica vỏ vàng, các hạt silica – vàng mầm

đã đƣợc tổng hợp trong bƣớc trên đƣợc nuôi tiếp trong dung dịch nuôi tƣơng tự nhƣ

chƣơng 2. Hạt nano vàng mầm trên bề mặt hạt nano silica lớn dần lên đến mức phủ

kín bề mặt hạt silica tạo một lớp vỏ cho hạt lõi. Cơ chế nuôi này tƣơng tự nhƣ cơ

chế nuôi các hạt nano vàng dạng cầu để tạo thành các hạt có kích thƣớc lớn hơn.

Quy trình chế tạo các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au đƣợc trình bày cụ thể trong

sơ đồ hình 3.7

Hình 3.7. Sơ đồ nuôi mầm để hình thành hạt cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au

Để đạt đƣợc mục tiêu là tạo đƣợc lớp vỏ vàng với chiều dày nhƣ mong muốn

trên hạt lõi silica, cần phải tính toán đƣợc thể tích dung dịch vàng hydroxyde dùng

để nuôi “mầm” với giả thiết là tất cả các nguyên tử vàng tạo ra đƣợc từ phản ứng

khử (2.7) đều tham gia vào quá trình phát triển kích thƣớc của hạt nano vàng mầm

trên bề mặt hạt nano silica để hình thành nên lớp vỏ vàng. Tƣơng tự nhƣ quá trình

phát triển hạt vàng dạng cầu ở mục 2.3, kích thƣớc hạt vàng mầm trên lõi silica hay

nói cách khác là độ dày của lớp vỏ vàng sẽ phụ thuộc vào nồng độ ion Au3+

và

lƣợng silica- vàng mầm có trong dung dịch nuôi. Để các hạt nano cấu trúc lõi vỏ có

89

tỉ lệ đƣờng kính lõi và độ dày lớp vỏ mong muốn thì chúng ta cần xác định đƣợc thể

tích dung dịch silica –vàng mầm và mật độ (N) hạt silica- vàng mầm sử dụng đƣa

vào trong một thể tích dung dịch nuôi nồng độ [Au3+

] 3.75 10-4

M biết trƣớc là

10ml. Để tạo đƣợc lớp vỏ vàng với chiều dày r bất kỳ trên một lõi silica bán kính

R1 thì thể tích (V ) hạt silica – vàng mầm cần đƣợc xác định theo công thức sau:

[( 1 )

3

1]

(3.6)

Tính toán chi tiết của công thức này đƣợc trình bày ở phần phụ lục.

Khi đã xác định đƣợc lƣợng silica – vàng mầm cần thiết với thể tích V, dung

dịch hạt đƣợc đƣa vào 10 ml dung dịch nuôi, sau đó chất khử 15 l HCHO đƣợc đƣa

vào để quá trình nuôi “mầm” xảy ra (hình 3.7). Phản ứng xảy ra tại nhiệt độ phòng

trong điều kiện lắc/khuấy mạnh để đuổi khí sinh ra khỏi dung dịch làm cho phản ứng

xảy ra đồng đều trong toàn thể tích và thời gian phản ứng khoảng 5-10 phút.

3.4.1. Ảnh hưởng nồng độ HCHO đến sự phát triển của hạt vàng trên bề mặt hạt

nano silica

Ta biết rằng, khả năng khử của HCHO phụ thuộc vào pH của môi trƣờng và

thƣờng tăng khi pH dung dịch tăng lên [99]. Chúng tôi đã chuẩn bị dung dịch nuôi

có pH trong khoảng 9.0-9.5 vì tại pH này HCHO hoạt động mạnh (chƣơng 2).

Để tìm đƣợc lƣợng tác nhân khử HCHO tối thiểu cho phản ứng khử xảy ra

hoàn toàn, chúng tôi thiết kế một dẫy mẫu nuôi cùng một loại hạt “mầm” đƣờng

kính trung bình 150 nm (đƣờng kính hạt nano silica), với các thông số của thí

nghiệm đƣợc liệt kê trong bảng 3.3.

90

Bảng 3.3. Các thông số thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ HCHO đến sự

phát triển lớp vỏ vàng

Stt Thể tích dung dịch nuôi

có [Au3+

] 3.75* 10-4

M

(ml)

Thể tích silica –

vàng mầm (l)

Thể tích

HCHO

37% (l)

Tỉ lệ mol

HCHO/Au3+

1 10 60 10 2

2 10 60 12.5 2.5

3 10 60 15 3.0

4 10 60 20 4.0

5 10 60 25 5.0

Theo phƣơng trình (2.7) thì tỷ lệ mol HCHO/Au3+

đƣợc sử dụng tƣơng ứng là

2; 2.5, 3; 4 và 5 (bảng 3.3). Sự phát triển của hạt “mầm” trong dãy mẫu trên đƣợc

khảo sát thông qua phổ hấp thụ plasmon.

Hình 3.8 là các phổ hấp thụ cộng hƣởng plasmon của các dung dịch hạt thu

đƣợc của dãy mẫu trên. Có thể nhận thấy với lƣợng HCHO từ 12.5 µL trở lên tƣơng

ứng với tỷ lệ mol HCHO/Au3+

lớn hơn hoặc bằng 2.5 thì phổ hấp thụ plasmon của

các dung dịch hạt thu đƣợc có dạng giống nhau với 2 đỉnh cộng hƣởng plasmon: đỉnh

thứ nhất nằm trong khoảng 630 nm - 650 nm, đỉnh thứ hai nằm trong khoảng 790 nm

- 850 nm. Đây là dạng phổ đặc trƣng của các hạt cấu trúc lõi/vỏ: silica/vàng, và là dấu

hiệu cho thấy hạt nano silica đã đƣợc bọc kín. Trong khi đó, phổ hấp thụ plasmon của

dung dịch nhận đƣợc khi sử dụng lƣợng HCHO bằng 10µL có cƣờng độ tƣơng đối

thấp OD = 0.45 với cực đại hấp thụ tại 790 nm, không có dạng phổ đặc trƣng của hạt

nano cấu trúc lõi/vỏ. Điều này chứng tỏ lƣợng HCHO là 10µL thì chƣa đủ để phản

ứng khử xảy ra hoàn toàn, các hạt vàng nhỏ trên hạt nano silica không đủ lớn để bao

kín hạt lõi silica để hình thành nên lớp vỏ vàng.

91

400 500 600 700 800 900 1000 11000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

§é h

Êp

th

ô (

a.u

)

B­íc sãng (nm)

25l

20l

15l

12.5l

10 l

400 500 600 700 800 900 1000 11000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

§é h

Êp

th

ô c

hu

Èn

hãa (

a.u

)

B­íc sãng (nm)

25l

20l

15l

12.5l

10 l

Hình 3.8. Phổ hấp thụ của dãy mẫu SiO2/Au với các lượng HCHO thay đổi

Trong các thí nghiệm tiếp theo, chúng tôi sẽ sử dụng tỷ lệ mol HCHO/Au3+

bằng 3 tƣơng ứng với 15 µl HCHO 37% cho 10 ml dung dịch nuôi nồng độ 3.75

10-4

M.

3.4.2. Chế tạo hạt nano SiO2/Au với tỉ lệ đường kính lõi và độ dày vỏ thay đổi

Nhƣ trong phần tổng quan về tính chất quang của các hạt nano cấu trúc lõi

vỏ SiO2/Au, ta biết rằng có thể điều chỉnh đƣợc bƣớc sóng hấp thụ plasmon của hạt

bằng cách thay đổi tỷ lệ đƣờng kính lõi và độ dày lớp vỏ. Mục đích là tạo đƣợc hạt

nano cấu trúc lõi/vỏ có đỉnh hấp thụ plasmon nằm trong vùng hồng ngoại gần 700

nm - 900 nm với kích thƣớc nhỏ nhất có thể, nhằm ứng dụng trong y-sinh. Vì vậy,

chúng tôi chế tạo một dãy mẫu có đƣờng kính lõi silica thay đổi: 150 nm, 130 nm,

110 nm, 65 nm và 45 nm. Trên mỗi loại hạt lõi sẽ phát triển lớp vỏ vàng tƣơng ứng.

Khảo sát sự hình thành của lớp vỏ vàng bằng các phƣơng pháp TEM, SEM, EDX,

và phổ hấp thụ plasmon.

3.4.2.1. Chế tạo hạt nano SiO2/Au có độ dày vỏ thay đổi

Trong phần này chúng tôi xem xét việc phát triển của lớp vỏ vàng trên lõi

silica 150 nm đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi lƣợng mầm trong khi thể tích dung

dịch nuôi và HCHO giữ cố định lần lƣợt là 10 ml và 15l nhƣ đã khuyến cáo ở trên.

Lƣợng silica – vàng mầm và lƣợng dung dịch nuôi đƣợc tính toán sao cho tạo đƣợc

92

lớp vàng có độ dày ƣớc tính theo công thức (3.6) là 5 nm, 7nm và 15nm. Hình 3.9 là

phổ hấp thụ plasmon cộng hƣởng của các dung dịch hạt SiO2/Au phát triển từ các

dung dịch hạt silica – vàng mầm đƣợc tính toán (đƣờng A) và hạt với lớp vỏ có độ

dày ƣớc tính là 5 nm (đƣờng B) 7 nm (đƣờng C) và 15 nm (đƣờng D).

Phổ hấp thụ plasmon cộng hƣởng của các dung dịch hạt A, B, C có một đỉnh

hấp thụ, đỉnh này dịch chuyển từ 530 nm đến 632 nm, 732 nm và có độ rộng phổ

tăng dần. Khi độ dày lớp vỏ vàng tăng tới 15nm thì xuất hiện sự đột biến trong dạng

phổ hấp thụ: phổ gồm hai đỉnh nằm ở bƣớc sóng 650 nm và 920 nm. Đây là dạng

phổ đặc trƣng của hạt lõi/vỏ SiO2/Au. Điều này chứng tỏ các hạt mầm vàng đã phát

triển đủ lớn để che phủ toàn bộ bề mặt hạt nano silica lõi, tạo thành lớp vỏ vàng bao

quanh hạt lõi.

400 600 800 1000 12000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

§é h

Êp t

hô

B­íc sãng (nm)

D 15 nm

C 7 nm

B 5 nm

MÇm A

A

B

C

D

Hình 3.9. Phổ hấp thụ plasmon cộng hưởng của : A) hạt “mầm”; B) phát triến lớp

vỏ ước tính 5nm; C) lớp vỏ ước tính 7 nm; D) lớp vỏ ước tính 15 nm được phát triển

trên lõi silica đường kính 150 nm.

Kết quả này hoàn toàn khớp với kết quả công bố trƣớc đó của nhóm về việc

phát triển lớp vỏ vàng từ hạt vàng mầm gắn trên bề mặt hạt silica [78]. Việc dịch

đỉnh phổ từ 530 nm về phía sóng dài của các dung dịch hạt B và C đƣợc giải thích

là các hạt vàng mầm trên hạt silica lớn lên về mặt kích thƣớc. Nhƣng chƣa đủ lớn

để chạm vào nhau tạo thành lớp vỏ vàng nên phổ cộng hƣởng plasmon của chúng

93

có dạng giống với phổ cộng hƣởng plasmon của hạt nano vàng dạng cầu. Chỉ khi

kích thƣớc các hạt vàng mầm đủ lớn để chúng chạm vào nhau tạo thành lớp vỏ vàng

phủ kín hạt nano silica thì mới xuất hiện phổ đặc trƣng của các hạt nano cấu trúc

lõi/vỏ.

Hình 3.10 là ảnh SEM đƣợc chụp với độ phóng đại 100 nghìn lần của hạt

silica – vàng mầm đƣờng kính 180 nm (A) hạt sau khi bọc với độ dày ƣớc tính 5

nm (B), độ dày ƣớc tính 7 nm (C) và độ dày ƣớc tính 15 nm (D). Ảnh SEM cho ta

thấy bề mặt hạt theo tiến trình hình thành lớp vỏ vàng. Các hạt vàng nhỏ trên bề mặt

hạt silica đƣợc phát triển đồng đều lớn lên theo lƣợng vàng đƣa vào và khoảng cách

giữa các hạt vàng mầm dần dần thu hẹp lại cho đến khi chúng chạm vào nhau, đồng

nghĩa với việc hình thành lớp vỏ vàng. Kết quả này phù hợp với kết quả đƣợc phản

ánh trên phổ hấp thụ plasmon cộng hƣởng (hình 3.9). Kết quả này cho thấy đối với

hạt lõi đƣờng kính 150 nm thì chỉ có thể tạo đƣợc lớp vỏ mỏng nhất là 15 nm trên

bề mặt hạt nano silica. Độ lớn của các hạt vàng mầm đủ để tạo thành lớp vỏ bọc kín

hạt lõi phụ thuộc vào độ che phủ của các hạt vàng mầm trên lõi. Theo một số công

bố thì độ che phủ cực đại của các hạt vàng mầm trên lõi silica là khoảng 25 -30%

đối với các hạt nano silica đƣợc chức năng hóa nhóm NH2 bằng APTES. Vì vậy

muốn tạo ra lớp vỏ vàng mỏng hơn thì phải tăng độ che phủ của hạt vàng mầm, tức

là tăng số lƣợng vàng mầm hấp phụ trên bề mặt hạt lõi silica. Đây là một trong

những công việc nhóm chúng tôi sẽ nghiên cứu trong thời gian tiếp theo.

94

Hình 3.10. Ảnh SEM của lõi silica đường kính 150 nm được phát triển lớp vỏ theo

các giai đoạn khác nhau: A) hạt silica –vàng mầm; B) phát triến với lớp vỏ ước tính

5nm; C) lớp vỏ ước tính 7 nm; D) lớp vỏ ước tính 15 nm với độ phóng đại 100

nghìn lần.

Hình 3.11. HTEM và ảnh phân tích EDX tương ứng của cấu trúc hạt lõi silica

150nm theo tiến trình làm kín lớp vỏ kim loại vàng tương ứng với các hạt trên hình

3.8 (B), (C), (D). Mầu vàng tương ứng với nguyên tố Au, mầu đỏ ứng với nguyên tố

O; mầu xanh lá ứng với nguyên tố Si; với thang đo 100 nm.

95

Thành phần các nguyên tố cấu thành nên các hạt này đồng thời đƣợc phân tích

EDX trên máy TEM phân giải cao với độ phóng đại 100 nghìn lần, hình 3.11. Ảnh

B, C, D là ảnh của các hạt lõi silica vỏ vàng với độ dày lớp vỏ vàng ƣớc tính khác

nhau tƣơng ứng với các hình (B), (C), (D) trên hình 3.10. Các nguyên tố chính

hình thành nên hạt nhận đƣợc qua phân tích EDX nhƣ là vàng, silic và oxi (Au, Si

và O) và đƣợc thể hiện qua các mầu: mầu vàng là nguyên tố Au, mầu đỏ là nguyên

tố Si và mầu xanh lá là nguyên tố O. Màu vàng tƣơng ứng với phần vỏ, mầu đỏ và

mầu xanh tƣơng ứng phần lõi bên trong phản ánh đúng chất liệu tạo lên hạt lõi có

thành phần chủ yếu là SiO2. Phép phân tích này một lần nữa khẳng định hạt chúng

tôi tạo ra là hạt lõi SiO2 vỏ Au, đồng thời khẳng định sự thành công trong việc phát

triển lớp vỏ vàng trên hạt lõi silica cũng nhƣ cho thấy đƣợc cơ chế hình thành lớp

vỏ vàng trên hạt lõi silica trong quá trình tạo hạt SiO2/Au là các hạt vàng nhỏ đƣợc

phát triển dần lên về kích thƣớc cho đến khi xen phủ vào nhau để tạo lớp vỏ kín.

3.4.2.2. Tạo lớp vỏ vàng trên các hạt lõi silica có đường kính trong khoảng 40-150 nm.

a) Các giai đoạn phát triển lớp vỏ vàng trên hạt silica có đường kính khác nhau

Hình 3.12 là ảnh TEM của các hạt nano với đƣờng kính trung bình khác nhau (A)

45nm; (B) 65nm; (C) 100nm; (D) 110 nm; (E) 130 nm và (F) 150 nm tại các giai

đoạn khác nhau của quá trình tổng hợp: (i) silica lõi, (ii) silica gắn vàng mầm Duff-

Baiker, (iii) hạt trong quá trình phát triển các hạt vàng mầm, (iv) lớp vỏ vàng đã bọc

kín hạt tạo thành hạt cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au. Đƣờng kính của lớp vỏ vàng có thể

xác định bằng cách lấy kích thƣớc trung bình của hạt SiO2/Au có lớp vỏ đã phủ trừ

đi kích thƣớc trung bình của hạt lõi. Độ dày lớp vỏ của hạt nano cấu trúc lõi/vỏ

SiO2/Au xác định bằng ảnh TEM biến thiên trong khoảng 10 nm - 30nm và đƣợc

trình bày trong bảng 3.4

Qua ảnh TEM có thể nhận thấy rằng: các hạt SiO2/Au tổng hợp đƣợc có dạng

tựa cầu nhƣ dạng của hạt lõi ban đầu với một lớp vỏ phát triển tƣơng đối đồng đều

trên hạt lõi. Các hạt SiO2/Au có đƣờng kính nhỏ 45nm không đơn phân tán mà có

hiện tƣợng dính vào nhau. Hiện tƣợng này đã quan sát đƣợc trƣớc khi đƣa hạt vàng

lên trên hạt lõi silica, có nghĩa là xảy ra trƣớc khi phát triển lớp vỏ vàng. Khi đƣờng

96

kính của hạt silica tăng lên trên 100 nm hiện tƣợng kết dính này không còn nữa.

Hiện tƣợng này là do có phản ứng giữa các nhóm chức –NH2 và -OH trên bề mặt

các hạt silica này với các nhóm chức –OH trên bề mặt các hạt silica khác. Số các

phản ứng bề mặt này càng tăng khi tổng diện tích bề mặt của các hạt càng lớn. Với

cùng thể tích dung dịch tổng diện tích bề mặt của các hạt nhỏ lớn hơn so với tổng

diện tích bề mặt của các hạt lớn, dẫn đến các hạt nhỏ kém ổn định hơn các hạt lớn.

Hình 3.12. Ảnh TEM của các hạt nano với đường kính hạt lõi trung bình khác nhau

(A) 45nm, (B) 65nm, (C) 100nm, (D) 110 nm, (E) 130 nm , (F) 150 nm được bọc với

lớp vỏ vàng: (i) silica lõi, (ii) silica gắn vàng THPC, (iii) lớp vỏ vàng trong quá

trình phát triển, (iv) lớp vỏ vàng đã bọc kín hạt. Thang đo 100 nm.

97

Bảng 3.4 cho thấy, các hạt nano silica càng lớn thì càng dễ để tạo đƣợc lớp vỏ mỏng.

Bảng 3.4. Chiều dày lớp vỏ vàng để phủ kín các lõi silica có đường kính khác nhau

Silica

(nm)

Chiều dày lớp vỏ vàng tối

thiểu để bọc kín hạt (nm)

Chiều dày lớp vỏ vàng tính

theo công thức (3.6) (nm)

Tỷ lệ lõi/vỏ

42±5 20-22 14 2

63±5 15-18 12 4-5

90±5 14-16 16 5-6

110±5 13-15 14 7-8

150±5 12-13 12 10-11

Từ bảng 3.4, chúng ta có thể nhận thấy rằng với các kích thƣớc hạt lõi nhỏ

dƣới 70 nm thì việc điều khiển phổ hấp thụ plasmon cộng hƣởng về phía sóng dài

trên 700 nm là rất khó khăn vì tỷ lệ đƣờng kính lõi/chiều dày lớp vỏ nhỏ hơn 5. Với

các hạt lõi nhỏ cần có các nghiên cứu tiếp theo để có thể nhận đƣợc lớp vỏ vàng kín

mỏng hơn nhằm tạo ra hạt cấu trúc lõi vỏ kích thƣớc nhỏ mà vẫn có bƣớc sóng đỉnh

hấp thụ plasmon bề mặt nằm trong vùng hồng ngoại gần.

b) Tính chất quang

Tính chất quang của các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au đƣợc thể hiện thông

qua các phổ hấp thụ plasmon của chúng.

Hình 3.13 là phổ cộng hƣởng plasmon của các hạt SiO2/Au với lõi có đƣờng

kính khác nhau từ 45nm đến 150 nm đƣợc bọc với các lớp vỏ vàng có chiều dày

thay đổi đƣợc ƣớc tính theo công thức (3.6). Hình 3.13 trái là phổ hấp thụ plasmon

cộng hƣởng của các dung dịch hạt SiO2/Au và các phổ chuẩn hóa tƣơng ứng (bên

phải). Tƣơng tự kết quả đạt đƣợc trong phần 3.4.2.1, có thể thấy đƣợc là với cùng

một đƣờng kính hạt lõi, khi các hạt nano vàng mầm chƣa đủ lớn để phủ kín bề mặt

hạt lõi silica thì phổ hấp thụ plasmon của dung dịch có dạng giống nhƣ dạng phổ

của dung dịch chứa hạt nano vàng cầu với một đỉnh cộng hƣởng plasmon trong

vùng 500 nm - 600 nm. Khi các hạt nano vàng mầm phát triển càng lớn nhƣng vẫn

chƣa đủ để hình thành lớp vỏ, đỉnh cộng hƣởng này dịch về phía đỏ tƣơng tự nhƣ

khi kích thƣớc nano vàng cầu tăng lên.

98

Hình 3.13. Phổ hấp thụ và phổ hấp thụ chuẩn hóa của dãy mẫu của hạt nano cấu

trúc lõi/vỏ Si2O/Au có kích thước lõi 45 nm (hàng trên), 130 nm (hàng giữa) và

150nm (hàng dưới) với độ dày lớp vỏ thay đổi.

99

Dạng phổ này sẽ không còn nữa khi các hạt nano vàng mầm đƣợc nuôi đủ lớn

để tạo nên lớp vỏ phủ kín hạt lõi silica. Khi đó, hạt sẽ thể hiện tính chất quang đặc

trƣng của hạt nano cấu trúc lõi/vỏ với hai đỉnh cộng hƣởng plasmon + và -. Nếu

tiếp tục tăng độ dày vỏ thì đỉnh hấp thụ plasmon dịch chuyển về phía sóng ngắn.

Phổ plasmon cho thấy với các hạt lõi 45 nm thì khi giá trị tính toán lớn hơn

14 nm thì lõi này đã đƣợc phủ kín. Tuy nhiên theo ảnh TEM chúng tôi đã xác định

đƣợc giá trị này nằm trong khoảng 20 nm - 22 nm (bảng 3.4). Kết quả này cho thấy

rằng các độ dày ƣớc tính không hoàn toàn khớp với các kết quả thực nghiệm. Điều

này là do các hạt nano silica tạo ra không hoàn toàn đồng đều về kích thƣớc nên

việc xác định kích thƣớc hạt silica là chƣa hoàn toàn chính xác đẫn đến sai số trong

khi tính toán độ dày lớp vỏ r theo công thức (3.6).

Hình 3.14. Phổ cộng hưởng plasmon chuẩn hóa của các dung dịch hạt nano

SiO2/Au với cùng độ dày lớp vỏ và các đường kính hạt lõi thay đổi.

Mặt khác, với các kích thƣớc lõi khác nhau (đƣờng kính bằng 65 nm, 140

mnm, 180 nm) nhƣng có cùng độ dày lớp vỏ 15 nm thì đỉnh cộng hƣởng plasmon

càng dịch về phía sóng dài khi kích thƣớc hạt càng lớn (hình 3.14). Điều này hoàn

toàn phù hợp với kết quả lí thuyết thu đƣợc từ mô hình lai khi giải thích tính chất

100

quang của hạt SiO2/Au: khi tăng tỉ lệ đƣờng kính lõi/độ dày vỏ thì đỉnh hấp thụ

plasmon dịch về phía sóng dài.

Dựa trên các kết quả thu đƣợc, có thể rút ra các bộ thông số cho quy trình chế

tạo các hạt SiO2/Au có kích thƣớc và phổ hấp thụ plasmon phù hợp cho từng ứng

dụng cụ thể. Ví dụ ứng dụng quang nhiệt cần các hạt SiO2/Au kích thƣớc dƣới 200

nm có phổ hấp thụ plasmon nằm trong vùng 800 -90 nm. Do đó có thể chọn quy

trình chế tạo với bộ các thông số nhƣ sau: kích thƣớc lõi silica 130 nm, độ dày lớp

vỏ theo công thức (3.6) r = 12 nm, tỉ lệ mol HCHO/Au3+

= 3

Kết luận chƣơng 3

Các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au đƣợc tổng hợp theo phƣơng pháp nuôi

mầm vàng trên hạt lõi silica để tạo lớp vỏ có độ dày nhất định. Quá trình phát triển

lớp vỏ đƣợc tối ƣu hóa bằng việc xác định lƣợng HCHO vừa đủ cho phản ứng khử.

Bằng cách tổng hợp hạt cấu trúc lõi/vỏ trên các hạt nano silica có đƣờng kính khác

nhau và độ dày lớp vỏ thay đổi, chúng tôi đã tổng hợp đƣợc các hạt SiO2/Au với

đƣờng kính lõi từ 40-150nm, và độ dày lớp thay đổi trong khoảng 12-22 nm. Trên

cơ sở đó khảo sát đƣợc sự phụ thuộc của phổ cộng hƣởng plasmon của các dung

dịch hạt vào tỷ lệ đƣờng kính lõi và độ dày lớp vỏ. Từ đó rút ra các bộ thông số cho

quy trình chế tạo các hạt nano SiO2/Au có kích thƣớc và phổ hấp thụ plasmon phù

hợp với các ứng dụng cụ thể.

101

Chƣơng 4

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC

CẤU TRÚC NANO VÀNG DẠNG THANH

4.1. Nguyên liệu hóa chất - Quy trình chế tạo

Bảng 4.1. Các hóa chất dùng trong quá trình chế tạo cấu trúc nano vàng dạng thanh

TT Tên hóa chất Công thức phân tử Xuất xứ

1 Chloroauric acid: 99% HAuCl4 Merck

2 Sodium borohydride NaBH4 Sigma

Aldrich

3 Benzyl dimethylhexadecyl

ammonium chloride

(BDAC)

CH3(CH2)15N(Cl)(CH3)2CH2

C6H5

Sigma

Aldrich

4 Bạc nitrat AgNO3 Trung Quốc

5 Axit ascorbic (AA) C6H8O6

Trung Quốc

6 Cetyl trimethylammonium

bromide (CTAB)

C19H42BrN

Amresco,

USA

102

7 Glutathione reduced ≥

98%

(GSH)

C10H17N3O6S

Sigma-aldrich

8 Albumin – Protein bovine

serum albumin (BSA)

Sigma-aldrich

9 Polyethylene glycol (PEG) C2nH4n+2On+1 Sigma-aldrich

10 Nƣớc cất hai lần và nƣớc

khử ion

H2O Mini- Q

4.1.1. Quy trình chế tạo thanh nano vàng

Nhƣ đã trình bày trong chƣơng 1, các thanh nano vàng đƣợc chế tạo bằng

phƣơng pháp phát triển bất đẳng hƣớng tinh thể mầm vàng trong dƣỡng mềm

CTAB/BDAC. Phƣơng pháp nuôi mầm tạo thanh nano vàng gồm hai giai đoạn

chính: giai đoạn tạo mầm vàng tinh thể và giai đoạn phát triển bất đẳng hƣớng của

mầm trong dung dịch nuôi để tạo các thanh nano vàng. Sơ đồ của hai giai đoạn này

đƣợc minh họa trên hình 4.1.

103

Hình 4.1. Sơ đồ tổng hợp nano vàng dạng thanh bằng phương pháp nuôi mầm

Trong hình 4.1 mầm là các tinh thể nano vàng bọc trong chất hoạt động bề mặt

CTAB đƣợc tạo ra bằng cách khử muối vàng HAuCl4 bằng NaBH4. Các mầm tinh

thể này đƣợc đƣa vào trong dung dịch nuôi là phức hệ của các ion Au+ với hỗn hợp

các chất hoạt động bề mặt CTAB/BDAC với sự có mặt của các ion Ag+ để phát

triển bất đẳng hƣớng thành các thanh nano vàng.

4.1.2. Giai đoạn tạo mầm

Trong giai đoạn này các hạt nano vàng đƣợc chế tạo theo quy trình của Liang

và cộng sự [117]. Cho 0.125 ml dung dịch HAuCl4 0.023M vào 10ml CTAB 0.1M,

hỗn hợp dung dịch đƣợc khuấy từ thành dung dịch có mầu vàng. Tiếp đó, đƣa 0.6

ml dung dịch NaBH4 0.01M chuẩn bị mới trong nƣớc lạnh vào dung dịch phản ứng

để khử ion Au3+

thành các nguyên tử Au0, ngay lập tức dung dịch chuyển từ vàng

sang không mầu rồi màu nâu nhạt, đây là dấu hiệu hạt nano kích thƣớc nhỏ đã đƣợc

tạo thành.

104

Các phản ứng xảy ra trong quá trình này nhƣ sau:

4CTA-Br +HAuCl4 CTA-Au-Br4 + 3CTA-Cl+ HCl (4.1)

2CTA-Au-Br4 + 3NaBH4+3H2O 2Au0 +2CTA-Br

+ 3NaOH+3BH3+3H2

(4.2)

NaBH4 là tác nhân khử mạnh nên tốc độ khử tạo ra các nguyên Au0 rất lớn. Các

nguyên tử này kết hợp với nhau để tạo ra các hạt với kích thƣớc nhỏ trong khoảng

2-6 nm nhƣ trên hình 4.2.

Hình 4.2. Ảnh HTEM của tinh thể vàng mầm để tạo thanh: thang đo 5 nm với độ

phóng đại 500 nghìn lần (hình trái), thang đo 2 nm với độ phóng đại 1 triệu lần

(hình phải).

Hình 4.2 là ảnh HTEM của vàng mầm, với độ phóng đại 1 triệu lần có thể

nhận thấy các hạt mầm vàng có cấu trúc tinh thể. Theo tài liệu tham khảo [93],

chúng tôi nhận định rằng các mầm tinh thể vàng có cấu trúc đơn tinh thể kiểu bát

giác với các mặt {110} và {100} (hình 4.3)

Hình 4.3. Cấu trúc lý tưởng cho các thanh nano vàng được tổng hợp khi có ion Ag+ [93]

105

Nhƣ vậy, kết thúc giai đoạn này, sản phẩm tạo ra là các tinh thể nano vàng

mầm đƣợc bọc bởi CTAB sẽ đƣợc sử dụng cho quá trình hình thành các thanh nano

vàng trong giai đoạn tiếp theo.

4.1.3. Giai đoạn nuôi mầm để tạo thanh

Các tinh thể vàng mầm cần đƣợc nuôi trong dung dịch nuôi để phát triển bất

đẳng hƣớng thành các thanh nano vàng. Dung dịch nuôi cũng đƣợc chuẩn bị theo

quy trình của Liang và cộng sự [117]: đƣa 150 µl HAuCl4 0.023M vào hỗn hợp

chứa 8.8 ml dung dịch CTAB 0.1M và 175 µl BDAC 0.25M. Khi đƣa HAuCl4 vào

dung dịch CTAB/BDAC thì quá trình tạo phức giữa CTAB với Au3+

xảy ra theo

phƣơng trình (4.1). Trong giai đoạn này, sự có mặt của chất đồng hoạt động bề mặt

BDAC làm tăng kích thƣớc micelle, điều này làm cho quá trình khử của muối vàng

trong dung dịch diễn ra một cách từ từ tạo điều kiện cho quá trình hình thành các

thanh nano vàng, làm tăng tỉ lệ các cạnh của thanh [85]. Khi đƣa axit ascorbic (AA)

vào hệ để tạo dung dịch nuôi, AA sẽ khử Au3+

theo hai bƣớc từ Au3+

thành Au+ và

cuối cùng thành Au0 theo các phƣơng trình phản ứng nhƣ sau:

Bƣớc thứ nhất:

CTA-Au-Br4 + C6H8O6 C6H6O6 + CTA-Au-Br2 + 2HBr (4.3)

Bƣớc thứ hai:

CTA-Au-Br2 + C6H8O6 2Au0 + 2CTA

+ + C6H6O6 + 2H

+ + 4Br

- (4.4)

Phƣơng trình tổng cộng cho quá trình khử từ Au3+

thành Au0 bằng AA đƣợc

viết nhƣ sau:

2CTA-Au-Br4 + 3C6H8O6 2Au0 + 2CTA

+ + 6H

+ + 8Br

- + 3C6H6O6 (4.5)

Sự có mặt của ion Ag+ trong dung dịch nuôi đã đƣợc giải thích trong phần

(1.2.4) nhằm chế tạo đƣợc các thanh nano vàng kích thƣớc nhỏ với tỉ lệ các cạnh

không quá lớn. Có thể thấy rằng có nhiều yếu tố ảnh hƣởng tới việc hình thành và

phát triển các thanh nano vàng, chẳng hạn nhƣ: nồng độ AgNO3 hay tỷ lệ nồng độ

Ag+/Au

3+ và nồng độ tác nhân khử AA, nồng độ CTAB,...

106

4.2. Chế tạo các thanh nano vàng và khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng

4.2.1. Tỷ lệ nồng độ Ag+/Au

3+

Để xem xét vai trò của tỉ lệ nồng độ mol [Ag+

] /[Au3+

] lên sự hình thành và

phát triển của thanh nano vàng, các thể tích khác nhau từ 0 - 500 µl của dung dịch

AgNO3 (2.5mM) đã đƣợc thêm vào trong các dung dịch nuôi (bảng 4.2).

Bảng 4.2. Các thông số thực nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của ion Ag+ đến sự

hình thành và phát triển của cấu trúc nano vàng dạng thanh

Ký hiệu M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11

Ag+ (µl)

2.5 mM

0 90 150 180 240 270 300 350 400 450 500

[Ag+]

mM

0 0.024 0.04 0.048 0.065 0.073 0.08 0.095 0.107 0.122 0.135

Ag+/Au

3+ 0 0.065 0.108 0.130 0.174 0.195 0.217 0.253 0.289 0.326 0.362

Các thông số còn lại giữ không đổi và đƣợc dùng nhƣ sau: tỷ lệ nồng độ

CTAB/BDAC = 20, thể tích AA 0.25M không đổi bằng 25µl, thể tích mầm đƣa vào

không đổi là 100µl. Nhƣ vậy tỷ lệ [Ag+ /Au

3+] sẽ đƣợc thay đổi từ 0 tới 0.362, tƣơng

ứng nồng độ Ag+ sử dụng thay đổi từ 2.45 10

-5 M tới 1.36 10

-4 M (bảng 4.2).

Sau khi quá trình nuôi kết thúc, dung dịch sản phẩm có mầu nâu nhạt, hình dạng, kích

thƣớc và tính chất quang của sản phẩm đƣợc khảo sát qua ảnh TEM và phổ hấp thụ

plasmon cộng hƣởng của chúng.

4.2.2. Nồng độ tác nhân khử Axit ascorbic (AA)

Axit ascorbic hay còn gọi là vitamin C đóng vai trò là chất khử cho phản ứng

khử ion Au3+

thành nguyên tử Au0 trong quá trình hình thành thanh nano vàng.

Theo phƣơng trình phản ứng (4.5), chúng ta thấy rằng nồng độ AA cần thiết để khử

Au3+

thành Au0 là gấp 1.5 lần nồng độ Au

3+. Để nghiên cứu ảnh hƣởng của tác nhân

107

khử AA lên việc hình thành các thanh nano vàng, chúng tôi chuẩn bị một dẫy mẫu

trong đó cố định các tham số lƣợng HAuCl4 150 l, lƣợng mầm là 100 µl, tỷ lệ

[Ag+ ]/[Au

3+] = 0.25, nồng độ CTAB 0.1M và tỷ lệ CTAB/BDAC đƣợc dùng là 20.

Bảng 4.3. Ảnh hưởng của nồng độ AA đến sự hình thành và phát triển của thanh

nano vàng.

Ký hiệu 15AA 20AA 25AA 30AA 40AA

AA (0.25M) µl 15 20 25 30 40

[AA]/[Au3+

] 0.92 1.22 1.53 1.84 2.45

Trong dãy mẫu này, lƣợng tác nhân khử AA nồng độ 0.25 M đƣợc thay đổi từ

0-40 µl nhƣ trong bảng 4.3, và tỷ lệ nồng độ [AA]/[Au3+

]đƣợc khảo sát từ không đủ

đến dƣ trong khoảng 0.92 tới 2.45.

4.3. Kết quả chế tạo thanh nano vàng

4.3.1. Hình dạng và thành phần của thanh nano vàng

Hình 4.4 là ảnh TEM của thanh nano vàng đƣợc chế tạo với điều kiện để có tỷ lệ

các cạnh AR khoảng 4 (hình trái) và phổ hấp thụ của dung dịch thanh nano vàng này

(hình phải). Ảnh TEM cho thấy sản phẩm thu đƣợc có dạng thanh, có chiều ngang

khoảng 10±1 nm, và có chiều dài khoảng 40±5 nm. Phổ hấp thụ plasmon của

dung dịch này có 2 đỉnh, đỉnh cộng hƣởng plasmon theo chiều ngang của thanh

(TSPR) ở 515 nm và đỉnh cộng hƣởng plasmon theo chiều dọc của thanh (LSPR)

ở 800 nm. Kết quả đo này hoàn toàn phù hợp với các lý thuyết về thanh nano

vàng nhƣ trình bầy trong chƣơng 1.

108

400 600 800 1000 12000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

§é

hÊp

th

ô c

hu

Èn

hã

a(a

.u)

B­íc sãng (nm)

Hình 4.4. Ảnh TEM của thanh nano vàng với độ phóng đại 200 nghìn lần tại

thang đo 10 nm (trái), phổ hấp thụ plasmon của chúng (phải)

Các thanh nano vàng sau khi chế tạo đƣợc loại hết CTAB và làm khô để đo

phổ XRD trên máy nhiễu xạ tia X SIEMENS D5005. Mẫu đo phổ XRD ở dạng bột,

đƣợc quét ở góc 2 trong khoảng 100-70

0, phổ XRD của thanh nano vàng đƣợc trình

bày trên hình 4.5. Bộ ba đỉnh nhiễu xạ mạnh tại các góc 2 là 38.20, 44.4

0 và 64.6

0

trùng khớp với vàng kim loại, chỉ thị của cấu trúc lập phƣơng tâm mặt (fcc) nhiễu xạ

từ các mặt phẳng {111}, {200} và mặt {220}, kết quả này cũng trùng với công bố

về phép đo XRD của thanh nano vàng [76]. Phép đo này cho phép chúng ta có thể

khẳng định rằng sản phẩm nhận đƣợc có chất liệu là vàng có cấu trúc tinh thể kiểu

lập phƣơng tâm mặt.

109

10 20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

C­ê

ng ®

é nh

iÔu

x¹

2(o)

{220}

{200}

{111}

Hình 4.5. Phổ XRD của thanh nano vàng

Từ phép đo này các giá trị d của các mạng tinh thể đƣợc xác định cho các

đỉnh tại góc 2 là 38.20, 44.4

0 và 64.6

0 tƣơng ứng là 2.354 A

0 – (Au[111]), 2.035A

0-

(Au[200]) và 1.439A0 - (Au[220]). Đối với vàng khối thì tỷ lệ cƣờng độ 2 đỉnh

I{200}/I{111} là 0.53. Ở đây tỷ lệ này là khoảng 0.51 chỉ thị rằng các mặt của thanh

nano này đƣợc cấu thành từ các mặt {111}. Đồng thời tỷ số cƣờng độ giữa hai

đỉnh nhiễu xạ {220} và {111} ( I{220}/I{111}) có giá trị xấp xỉ 0.35 là cao hơn nhiều

so với vàng khối với giá trị là (0.16-0.19), điều này cho thấy rằng thanh nano vàng

chủ yếu ở dạng mặt {110}, và các mặt {110} có xu hƣớng phát triển dọc trục theo

hƣớng 110.

4.3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố lên sự hình thành và phát triển của thanh

4.3.2.1. Tỉ lệ nồng độ mol [Ag+

]/[Au3+

]

Hình 4.6 trình bày một số ảnh TEM minh họa các cấu trúc nano vàng dạng

thanh thu đƣợc khi tỉ lệ mol của Ag+

và Au3+

thay đổi: 0; 0.108; 0.130; 0.174; 0.289;

0.362 tƣơng ứng với các mẫu M1, M3, M4, M5, M9, M11 trong bảng 4.2. Có thể

thấy trên các ảnh TEM: khi không có Ag+ trong giai đoạn phát triển hạt mầm, dung

dịch thu đƣợc đa số là các hạt vàng dạng cầu, một số ít dạng tam giác và dạng

thanh. Ở đó, các thanh vàng có tỉ lệ các cạnh AR rất lớn. Kết quả này hoàn toàn phù

hợp với công bố trong tài liệu tham khảo [101].

110

Hình 4.6. Ảnh TEM của các mẫu thanh nano vàng với [Ag+] /[Au

3+] thay đổi, thang

đo bằng 20nm

Khi nồng độ Ag+ tăng thì hiệu suất tạo thanh tăng lên từ 74,5% đến 88,9 và tỉ

lệ các cạnh của thanh tăng từ 2,2 đến 4,5. Nhƣng khi tỉ lệ mol của Ag+

và Au3+

trong

dung dịch lớn hơn 0.289 thì hiệu suất tạo thanh giảm từ 88,9% đến 75,6% và tỉ lệ

các cạnh của thanh giảm từ 4,5 xuống 3,2 (bảng 4.4). Kết quả này phù hợp với

những công bố của El- Sayed [79].

Bảng 4.4. Hiệu suất tạo thanh, đường kính trung bình và tỉ lệ các cạnh của thanh

tạo thành ứng với tỉ lệ mol [Ag+

]/[Au3+

] khác nhau

Stt [Ag+

]/[Au3+

] Hiệu suất tạo

thanh (%)

Đƣờng kính

trung bình (nm)

Tỉ lệ các cạnh

trung bình AR

1 0 4,2 12,5 17

2 0,108 74,5 14,7 2,2

3 0,13 75,4 15,5 2,6

4 0,174 81,2 11,4 3,5

5 0,289 88,9 11,2 4,5

6 0,362 75,6 14,9 3,2

111

Vai trò của ion Ag+ trong việc tạo thanh là rõ ràng:

i) Khi không có ion Ag+ trong dung dịch thì không có các nguyên tử Ag

0 trên

tất cả các mặt của tinh thể vàng mầm, nên các mầm này phát triển bất đẳng hƣớng

mà không bị hạn chế ở hai đầu thanh, dẫn đến hình thành nên các thanh nano vàng

có tỉ lệ cạnh lớn hơn nhiều so với trƣờng hợp có ion Ag+ trong dung dịch nuôi.

ii) Khi nồng độ [Ag+]

/[Au

3+] thấp dƣới 0.065 thì hiệu quả tạo thanh thấp và đa

số sản phẩm thu đƣợc có dạng cầu, một số ít cấu trúc dạng thanh đƣợc tạo thành với

tỉ lệ các cạnh rất lớn (cỡ 20 – hình 4.7). Khi tỉ lệ này cao hơn 0,065 thì hiệu suất tạo

thanh tăng lên đồng thời tỉ lệ các cạnh của thanh tăng trong khoảng từ 2 đến 4.5.

Nếu tiếp tục tăng nồng độ ion Ag+ thì tỉ lệ các cạnh lại giảm. Các kết quả này đƣợc

giải thích dựa vào phản ứng khử dƣới thế ion Ag+ của axit ascorbic AA nhƣ đã đề

cập trong chƣơng 1. Sự tạo thành Ag0 trên mặt {110} làm hạn chế sự phát triển của

tinh thể mầm vàng theo hƣớng 110 đồng thời thúc đẩy sự phát triển của mầm tinh

thể theo hƣớng 100. Điều này làm cho tinh thể mầm vàng phát triển bất đẳng hƣớng

và kết quả là hình thành thanh nano vàng. Khi nồng độ ion Ag+ trong dung dịch

tăng sẽ thúc đẩy quá trình phát triển bất đẳng hƣớng của tinh thể mầm vàng, do đó

làm tăng tỉ lệ các cạnh của thanh. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng nồng độ ion Ag+

trong dung dịch thì quá trình khử dƣới thế chậm của ion Ag+ trên mặt {100} hoặc

{111} cũng tăng. Điều này sẽ là bất lợi đối với quá trình phát triển bất đẳng hƣớng

của thanh nano vàng, do đó tỉ lệ các cạnh của thanh sẽ giảm.

Hình 4.7 trình bày phổ hấp thụ plasmon cộng hƣởng và phổ chuẩn hóa tƣơng

ứng của các dung dịch mẫu trong bảng 4.2. Các đỉnh hấp thụ và độ hấp thụ tƣơng

ứng nhận đƣợc của các mẫu này đƣợc trình bày trong bảng 4.5. Kết quả cho thấy,

đối với trƣờng hợp không có ion Ag+ hay tỉ lệ mol Ag

+/Au

3+ trong dung dịch nhỏ

hơn hoặc bằng 0.065 (M1 và M2) thì dung dịch thu đƣợc không xuất hiện dạng phổ

đặc trƣng của cấu trúc nano vàng dạng thanh. Sự khác biệt về dạng phổ của đƣờng

M1 và M2 cho thấy: khi không có Ag+ trong dung dịch nuôi thì các hạt trong dung

dịch đa phần là các hạt dạng cầu có một cực đại hấp thụ tại bƣớc sóng 637nm; còn

khi có Ag+ trong dung dịch nhƣng tỉ lệ này còn nhỏ ([Ag

+]

/[Au

3+]

= 0.065) thì trên

112

phổ hấp thụ (mẫu M2) không chỉ còn có một đỉnh hấp thụ mà có xu hƣớng xuất

hiện hai đỉnh hấp thụ, tuy nhiên hai đỉnh này không có sự tách biệt rõ ràng. Điều

này có thể giải thích rằng các hạt trong dung dịch phát triển bất đẳng hƣớng nhƣng

sự khác nhau giữa các hƣớng không nhiều do nồng độ Ag+ chƣa đủ lớn.

400 600 800 10000

1

2

3

4

5

§é h

Êp

th

ô

B­íc sãng (nm)

M1

M2

M3

M4

M5

M7

M9

M11

[Ag+]/[Au3+

]

600 800

0.3

0.6

0.9

C­

ên

g ®

é c

hu

Èn

hãa (

a.u

)

B­íc sãng (nm)

M2

M1

M3

M4

M5

M7

M9

M11

[Ag+]/[Au3+]

Hình 4.7. Phổ hấp thụ plasmon cộng hưởng của các dung dịch thanh nano vàng theo

tỉ lệ mol [Ag+]

/ [Au

3+] (hình trái) và phổ chuẩn hóa (hình phải).

Khi tỉ lệ mol [Ag+]

/[Au

3+] tăng từ 0.108 (M3) tới 0.362 (M11) thì phổ hấp

thụ plasmon của các dung dịch tƣơng ứng xuất hiện hai cực đại hấp thụ, trong đó

cực đại hấp thụ thứ nhất tƣơng ứng với dao động plasmon theo chiều ngang của

thanh có đỉnh trong khoảng 510 nm -520 nm, cƣờng độ của đỉnh TSPR này ít

thay đổi (hình 4.7 phải, bảng 4.5), và cực đại hấp thụ thứ hai tƣơng ứng với các

dao động plasmon dọc-LSPR có cƣờng độ tăng từ 1.59 tới 4.44 và bƣớc sóng

đỉnh dịch từ 603 nm tới 830 nm. Tuy nhiên khi tỉ lệ mol [Ag+]

/[Au

3+] lớn

hơn 0.289 (M10-M11) thì đỉnh hấp thụ plasmon theo chiều dọc giảm cả về

cƣờng độ và bƣớc sóng (bảng 4.5). Trên hình 4.7, phổ hấp thụ chuẩn hóa của

dung dịch còn cho chúng ta thấy rằng khi nồng độ AgNO3 tăng, đỉnh hấp thụ thứ

hai dịch mạnh về phía sóng dài còn đỉnh thứ nhất lại có sự giảm về mặt cƣờng độ

so với đỉnh thứ hai. Hiện tƣợng này liên quan đến sự tăng tỉ lệ các cạnh của các

thanh nano vàng và tăng tỉ lệ tạo thanh. Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả

quan sát đƣợc trên ảnh TEM (hình 4.6).

113

Kết quả này cho ta thấy nồng độ ion Ag+

không những ảnh hƣởng lên việc dịch đỉnh

plasmon cộng hƣởng theo chiều dọc của thanh mà còn ảnh hƣởng lên hiệu quả tạo

thành thanh nano. Hình 4.7 cho thấy khi tỉ lệ mol [Ag+]

/[Au

3+] trong khoảng 0.217 –

0.289 (M7-M9), các dung dịch vàng có bƣớc sóng đỉnh cộng hƣởng plasmon theo

chiều dọc và độ hấp thụ quang cao nhất.

Bảng 4.5. Các thông số thực nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của ion Ag+ đến sự

hình thành và phát triển của cấu trúc thanh nano vàng

Ký hiệu

[Ag+]/[Au

3+]

TSPR LSPR

OD1 (nm) OD2 (nm)

M1 0.000 2.17 639 - -

M2 0.065 1.63 533 1.59 603

M3 0.108 1.46 520 2.26 737

M4 0.130 1.16 526 2.58 756

M5 0.174 1.16 512 3.17 791

M6 0.195 1.17 512 3.58 817

M7 0.217 1.16 512 3.98 827

M8 0.253 1.17 511 4.15 829

M9 0.289 1.61 510 4.44 830

M10 0.326 1.57 510 4.20 820

M11 0.362 1.45 512 3.96 815

Hình 4.8 trình bầy sự phụ thuộc của bƣớc sóng đỉnh hấp thụ cộng hƣởng

plasmon theo chiều dọc max LSPR (đƣờng đen) và tỉ lệ độ hấp thụ theo hai trục của

thanh LSP/TSP =R (đƣờng xanh) vào nồng độ ion Ag+. Có thể nhận thấy rằng, khi

nồng độ của Ag+ tăng từ 0.04mM tới 0.107mM tức là tỉ lệ mol [Ag

+] /[Au

3+] tăng từ

114

0.065 đến 0.289 thì cả mLSP và R của dung dịch đều tăng. Nhƣng khi nồng độ này

tiếp tục tăng thì R và mLSP của dung dịch lại giảm.

0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14

600

650

700

750

800

850

mLSP

R

Nång ®é Ag+

m

LS

P(n

m)

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

LS

P/T

SP

=R

Hình 4.8. Sự phụ thuộc của bước sóng đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon theo

chiều dọc max LSPR (đường đen) và tỉ lệ độ hấp thụ theo hai trục của thanh

LSP/TSP =R (đường xanh) vào nồng độ ion Ag+.

Nhƣ đã đƣợc đề cập trong phần tổng quan về tính chất quang của các cấu trúc

nano vàng dạng thanh, R càng cao thì hiệu suất tạo thanh càng lớn. Đồ thị hình 4.9

cho thấy rằng khi nồng độ của ion Ag+ nằm trong khoảng 0.08mM (M7) đến

0.107mM (M9) thì R đạt cực đại và hiệu suất tạo thanh là lớn nhất.

Đồng thời, mLSPR phụ thuộc tuyến tính vào tỉ lệ các cạnh của thanh AR theo

phƣơng trình (4.6)

max LSPR (nm) = 95AR + 420 (4.6)

115

2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8

740

760

780

800

820

840

m

LS

P(n

m)

AR

Hình 4.9. Sự phụ thuộc của bước sóng đỉnh hấp thụ plasmon theo chiều dọc vào tỉ

lệ các cạnh của thanh AR.

Sự phụ thuộc của bƣớc sóng đỉnh hấp thụ plasmon theo chiều dọc vào tỉ lệ các

cạnh AR của thanh và đƣờng fit theo hàm bậc nhất của chúng đƣợc thể hiện trên

hình 4.9. Kết quả cho thấy các điểm gần nhƣ nằm trên một đƣờng thẳng phù hợp

phƣơng trình (4.6). Đây là đặc tính quang đặc biệt của thanh nano vàng khác với các

dạng nano vàng khác

4.3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ AA

Hình 4.10 trình bày phổ hấp thụ UV-Vis-NIR của các dung dịch thanh nano

vàng đƣợc chế tạo theo điều kiện đƣợc nêu trong bảng 4.3. Nhƣ chúng ta đã biết tỷ

lệ mol [AA]/[Au3+

] đủ cho các phản ứng theo các phƣơng trình (4.5) là 2 và

[AA]/[Au3+

] cho mỗi phƣơng trình (4.3) và (4.4) bằng nhau và bằng 1.

Khi tỉ lệ mol dùng [AA]/[Au3+

] 0.92, thì lƣợng AA bị tiêu thụ hết và không

đủ để phản ứng (4.3) xảy ra hoàn toàn vì thế không làm mất hết màu dung dịch, do

đó phƣơng trình (4.4) hoàn toàn không xảy ra, điều này đồng nghĩa với việc thanh

nano vàng không thể hình thành.

Khi tỉ lệ mol [AA]/[Au3+

] 1.22, lƣợng AA dùng hết cho phƣơng trình (4.3)

và dƣ để phản ứng (4.4) xảy ra nên trên phổ hấp thụ đều thấy xuất hiện hai đỉnh

hấp thụ đặc trƣng của cấu trúc nano vàng dạng thanh. Phổ hấp thụ cho ta thấy khi tỷ

lệ [AA]/[Au3+

] nhỏ dƣới 1.53 thì phản ứng xảy ra chậm và đỉnh dịch về phía

116

sóng dài. Còn khi tỷ lệ mol [AA]/[Au3+

] bằng 1.84 và bằng 2.45 thì đỉnh gần

nhƣ không đổi và cƣờng độ đỉnh là nhƣ nhau. Khi tỷ lệ [AA]/[Au3+

] tăng, đỉnh

plasmon nhận đƣợc tƣơng ứng giảm từ 865 nm, 829 nm và ổn đỉnh ở 806 nm

khi tỷ lệ này bằng 1.84. Điều này cho chúng ta thấy nếu nồng độ AA dùng cho phản

ứng (4.4) thiếu thì phản ứng xảy ra chậm, các thanh nano vàng đƣợc ƣu tiên phát

triển theo chiều dọc, còn khi lƣợng AA đủ và dƣ thì các thanh nano vàng phát triển

theo chiều ngang làm cho tỉ lệ các cạnh của thanh giảm (bảng 4.6)

Bảng 4.6. Các thông số thực nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của AA đến sự hình

thành và phát triển của cấu trúc thanh nano vàng

[AA]/[Au3+

]

TSPR LSPR

AR (nm)

OD1 (nm)

OD2

1.22 512 3.25 860.5 1.01 4.5

1.53 512 3.56 826.5 1.2 3.8

1.84 516 3.87 806.5 1.35 3.1

2.45 517 3.79 806.5 1.55 2.9

400 600 800 10000

1

2

3

4

§é

hÊp

th

ô (

a.u

)

B­íc sãng (nm)

1.22

1.53

1.84

2.45

a

400 600 800 10000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.22

1.53

1.84

2.45

§é

hÊp

th

ô c

hu

Èn h

ãa

(a.

u)

B­íc sãng (nm)

b

Hình 4.10. Phổ hấp thụ của các dung dịch chứa các thanh nano vàng khi tỉ lệ mol

[AA]/[Au3+

] thay đổi (hình a) và phổ hấp thụ chuẩn hóa của các dung dịch đó (hình b).

117

Nhƣ vậy AA cũng là một nhân tố đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình

thành các thanh nano vàng cũng nhƣ điều khiển sự phát triển các kích thƣớc của

thanh nano vàng

4.4. Sự phụ thuộc tính chất quang của các thanh nano vàng vào chiết suất của

môi trƣờng

Nhƣ đã trình bày trong chƣơng 1, tính chất quang của các cấu trúc nano

vàng dạng thanh rất nhạy với môi trƣờng xung quanh. Ở mục này, chúng tôi

nghiên cứu ảnh hƣởng của chiết suất môi trƣờng lên tính chất quang của các

thanh nano vàng bằng cách khảo sát phổ hấp thụ plasmon của chúng trong các

môi trƣờng với nồng độ CTAB khác nhau cũng nhƣ khi chúng đã đƣợc bọc bằng

các phân tử BSA, GSH, PEG.

4.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ CTAB lên tính chất quang của các thanh nano vàng

Thanh nano vàng (10 nm x 40 nm) đƣợc phân tán vào môi trƣờng với các

nồng độ CTAB khác nhau từ 0.033 M tới 10-5

M (bảng 4.7). Phổ hấp thụ plasmon

của các dung dịch này đƣợc trình bày trong hình 4.11.

400 600 800 10000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

§é h

Êp t

hô (

a.u)

B­íc sãng (nm)

CTAB 0.1 M

CTAB 0.02 M

CTAB 0.004 M

CTAB 0.00001 M

800 850

0.4

0.6

0.8

1.0

§é h

Êp t

hô (

a.u)

B­íc sãng(nm)

CTAB 0.033M

CTAB 0.00001M

Hình 4.11. Phổ hấp thụ plasmon của thanh nano vàng 10 nm 40 nm phân tán

trong môi trường với các nồng độ CTAB khác nhau (trái) và phổ chuẩn hóa của

chúng(phải).

118

Vị trí đỉnh hấp thụ và cƣờng độ hấp thụ của các dung dịch với các nồng độ CTAB

khác nhau đƣợc tổng hợp trong bảng 4.7.

Bảng 4.7. Cường độ và bước sóng đỉnh cộng hưởng plasmon của thanh nano vàng

trong các dung dịch CTAB với nồng độ khác nhau.

Mẫu CTAB (M) (nm) OD2

CTAB 0 0.0333 820 0.956

CTAB 1 0.0022 820 0.956

CTAB 2 1.510-4

811 0.872

CTAB 3 110-5

811 0.799

Khi nồng độ CTAB giảm xuống dƣới 1.5 10-4

M đỉnh hấp thụ plasmon

là 811 nm và dịch tới 820 nm khi nồng độ CTAB nằm trong khoảng từ 0.0022 M

đến 0.0333 M.

Kết quả này đƣợc giải thích nhƣ sau: CTAB có chiết suất 1.46, còn nƣớc có

chiết suất 1.33. CTAB có liên kết trên bề mặt với thanh nano vàng, khi nồng độ

CTAB > 0.0022 M thì nồng độ đó đủ cao để tạo lớp kép trên bề mặt thanh nano

vàng, tạo ra một lớp màng CTAB bọc kín thanh nano vàng với chiết suất cao và tạo

ra chênh lệch chiết suất Δn giữa bề mặt hạt vàng và môi trƣờng bao quanh chúng.

Khi nồng độ CTAB giảm dƣới 1.5 10-4

M, nồng độ CTAB không đủ để tạo lớp kép

trên bề mặt các thanh nano vàng nên chênh lệch chiết suất tạo ra trên bề mặt hạt so

với môi trƣờng là không đáng kể, chiết suất môi trƣờng bao quanh hạt có thể đƣợc

xem nhƣ là nƣớc (hình 4.12).

119

Hình 4.12. Hình minh hoạ liên kết của CTAB trên bề mặt thanh nano vàng theo

nồng độ.

Sự dịch của đỉnh hấp thụ plasmon max = 9 nm khi chiết suất môi trƣờng

quanh hạt thay đổi n = 0,13. Điều này phù hợp với biểu thức (1.20)

l

d

emn 1..max

. Khi CTAB thấp giá trị n nhỏ không đáng kể nên đỉnh cộng

hƣởng plasmon gần nhƣ không thay đổi so với đỉnh cộng hƣởng plasmon của dung

dịch hạt phân tán trong nƣớc. Chỉ khi nồng độ CTAB đủ lớn, n có giá trị cao thì

mới có sự dịch của đỉnh phổ.

4.4.2. Ảnh hưởng của các phân tử bề mặt lên tính chất quang của các thanh

nano vàng

Để xem xét kĩ hơn sự ảnh hƣởng của chiết suất của môi trƣờng bao quanh bề

mặt các cấu trúc nano vàng dạng thanh đến phổ cộng hƣởng plasmon của chúng,

chúng tôi đã bọc các thanh nano vàng (nồng độ CTAB ~ 10-5

M) bằng các phân tử

tƣơng thích sinh học có các chiết suất khác nhau nhƣ BSA, PEG và GSH theo quy

trình sau:

+ Mẫu bọc PEG: Cho 5µl dung dịch PEG-SH 5mg/ml vào 300µl dung dịch

mẫu lắc trong khoảng 20 phút, li tâm loại các phân tử PEG dƣ. Mẫu đƣợc phân tán

lại trong nƣớc.

120

+ Mẫu bọc BSA, GSH: Cho 5µl dung dịch BSA (10mg/ml)/ GSH (20mg/ml)

vào 300µl dung dịch mẫu, lắc 30 phút, ủ 2 giờ ở 40C. Sau đó li tâm các dung dịch

để loại bỏ hết các phân tử không gắn kết. Mẫu đƣợc phân tán lại trong nƣớc.

Hình 4.13 trình bày phổ hấp thụ plasmon của các dung dịch trƣớc và sau khi

đƣợc bọc bằng các phân tử tƣơng thích sinh học. Các thông số của đỉnh hấp thụ

plasmon theo chiều dọc của các dung dịch trƣớc và sau khi bọc đƣợc thể hiện trên

bảng 4.8.

400 600 800 10000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

§é

hÊp

th

ô

B­íc sãng (nm)

Au@ BSA

Au@ GSH

Au@ PEG

Au-CTAB-10-5M

AR ~ 4.0

770 840 9100.3

0.6

0.9

§é h

Êp t

hô c

huÈn

hãa

(a.u

)

B­íc sãng (nm)

Au@ BSA

Au@ GSH

Au@ PEG

Au -CTAB 10-5

M

AR ~ 4.0

Hình 4.13. Các phổ hấp thụ (trái) và phổ hấp thụ chuẩn hóa (phải) của các dung

dịch nano vàng dạng thanh trước và sau khi được bọc bằng các phân tử tương thích

sinh học BSA, PEG, GSH.

Kết quả cho thấy phổ hấp thụ plasmon của các mẫu sau khi bọc đều có sự dịch

đỏ và cƣờng độ đỉnh cao hơn so với mẫu trƣớc khi bọc. Điều này có thể giải thích

là khi các thanh nano vàng đƣợc bọc bằng các phân tử PEG, BSA hay GSH, các

phân tử này đã tạo thành một lớp bao quanh bề mặt hạt, do chiết suất của các phân

tử tƣơng thích sinh học này đều cao hơn chiết suất của nƣớc (n = 1.33), vì vậy chiết

suất của môi trƣờng bao quanh bề mặt thanh nano vàng so với trƣớc khi bọc là tăng

lên n >0. Theo công thức (1.20) thì max> 0, tức là có sự dịch đỏ phổ hấp thụ của

các dung dịch sau khi bọc, độ dịch đỉnh này tỷ lệ với độ chênh lệch chiết suất và

kích thƣớc của phân tử sinh học sử dụng để gắn kết lên thanh.

121

Bảng 4.8. Cường độ và bước sóng đỉnh cộng hưởng plasmon của các dung dịch

thanh nano vàng trước và sau khi được bọc bằng các phân tử tương thích sinh học:

BSA, PEG, GSH

Mẫu Chiết suất

trên bề mặt

n LPSR (nm) OD2

(nm)

Au-CTAB ~

10-5

M 1.33 - 811 0.799 -

Bọc BSA 1.90 0.57 825 0.945 14

Bọc PEG 1.46 0.13 820 0.898 9

Bọc GSH 1.57 0.24 814 0.907 3

Kết luận chƣơng 4

Các thanh nano vàng kích thƣớc nhỏ, đƣờng kính thay đổi từ 10 nm – 15 nm,

chiều dài thay đổi từ 20 nm – 45 nm, tỉ lệ các cạnh từ 2 - 4.5, có đỉnh cộng hƣởng

plasmon nằm trong vùng 700-900 nm đã đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp nuôi

mầm trong các khuôn dƣỡng mềm tạo bởi các chất hoạt động bề mặt CTAB và

BDAC có sự tham gia của các ion Ag+. Đã khảo sát ảnh hƣởng của các yếu tố chế

tạo lên quá trình phát triển bất đẳng hƣớng của hạt mầm để hình thành thanh nano

vàng nhƣ các tỉ lệ nồng độ mol của ion [Au3+

]/[Ag+]

và chất khử AA. Qua đó rút ra

quy trình chế tạo phù hợp để có các thanh nano vàng có các đặc tính quang nhƣ

mong muốn. Bên cạnh đó, sự phụ thuộc của đỉnh cộng hƣởng plasmon theo chiều

dọc vào tỉ lệ các cạnh của thanh và chiết suất của môi trƣờng bao quanh cũng đã

đƣợc khảo sát. Kết quả cho thấy có sự phù hợp khá tốt giữa các kết quả thực

nghiệm và các lý thuyết liên quan.

122

Chƣơng 5

THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG

Các thí nghiệm đánh dấu sinh học yêu cầu các hạt nano vàng phải phân tán

trong các môi trƣờng có pH khác nhau và đƣợc gắn kết với các nhóm chức năng

hợp sinh khác nhau tùy từng đối tƣợng đánh dấu. Thực tế là các hạt nano vàng sau

khi chế tạo thƣờng đƣợc phân tán trong dung dịch có độ pH khoảng 7 và thƣờng

kém hoặc không ổn định trong môi trƣờng pH thấp [4]. Vì các cấu trúc nano vàng

chế tạo ra chỉ ổn định về mặt tĩnh điện dựa vào lực đẩy tĩnh điện của lớp điện tích

kép, cho nên các nano vàng trong dung dịch thƣờng có xu hƣớng kết tụ lại với nhau

theo thời gian, đặc biệt là các cấu trúc nano vàng kích thƣớc lớn. Để các cấu trúc

nano vàng có thể ứng dụng đƣợc trong các môi trƣờng sinh học, chúng cần đƣợc ổn

định không gian và đặc biệt trên bề mặt hạt phải có các nhóm chức năng tƣơng

thích với môi trƣờng sinh học nhƣ nhóm –COOH, -NH2, -SH, -OH...

Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu gắn kết các cấu

trúc nano vàng với các phân tử sinh học nhƣ protein BSA (bovine serum albumin)

hoặc các phân tử tƣơng thích sinh học nhƣ PEG (polyethylene glycol), GSH

(glutathione). Các cấu trúc này đƣợc sử dụng trong thí nghiệm khảo sát hiệu ứng

chuyển đổi quang nhiệt trên mô thịt. Đồng thời, các cấu trúc vàng này đƣợc gắn kết

với kháng thể để tạo các đầu dò sinh học cho ứng dụng hiện ảnh tế bào.

Nguyên tắc chung của việc chức năng chức năng hóa hạt vàng với các phân tử

sinh học và tƣơng thích sinh học là sử dụng nhóm SH của các phân tử gắn kết để tạo

liên kết S-Au với hạt vàng.

Các phân tử sinh học và tƣơng thích sinh học ngoài vai trò làm biến tính bề

mặt hạt vàng, chúng còn giúp ổn định bề mặt không gian khi bọc kín xung quanh

hạt. Các thí nghiệm gắn kết trong luận án này đƣợc thực hiện để đạt đƣợc cả hai

mục đích trên.

123

5.1. Gắn kết hạt nano vàng với các phân tử sinh học và tƣơng thích sinh học

5.1.1. Gắn kết với polyethylene glycol (PEG)

PEG là một polyme của các oxit ethylene và nƣớc với công thức tổng quát

HO-CH2-(CH2-O-CH2-)n-CH2-OH trong đó n là số nhóm oxit ethylene thƣờng có

giá trị là từ 4 đến khoảng 180. PEG tan trong nƣớc, methanol, benzene,

dichloromethane; không tan trong diethyl ether và hexane. PEG có thể kết cặp với

các phân tử kỵ nƣớc tạo ra bề mặt không có ion. PEG có nhiều nhóm chức năng

khác nhau ở hai đầu chuỗi polyme và có công thức chung là R1-PEG –R2. Ở đây,

chúng tôi sử dụng PEG dị chức với R1 là -SH, còn R2 là -COOH (công thức phân tử

nhƣ hình 5.1) để gắn với các cấu trúc nano vàng. Các phân tử PEG sẽ liên kết trực

tiếp trên bề mặt cấu trúc nano vàng thông qua liên kết bền Au-S, hình thành nên các

cấu trúc nano vàng với các nhóm -COOH quay ra ngoài.

Hình 5.1. Cấu trúc phân tử thiol – PEG – acid

Khi dung dịch HS-PEG-COOH đƣợc đƣa vào dung dịch có chứa các hạt nano

vàng, nhóm chức SH trên phân tử HS-PEG-COOH sẽ liên kết trực tiếp trên bề mặt

hạt vàng tạo liên kết bền Au-S. Trong khi đó, nhóm chức COOH trên phân tử PEG

sẽ quay ra ngoài, có thể gắn kết với các phân tử sinh học.

Hình 5.2. Sơ đồ gắn kết phân tử PEG lên hạt nano vàng (Au@PEG)

124

5.1.2. Gắn kết với phân tử albumin – protein bovine serum albumin (BSA)

BSA (bovine serum albumin) - Albumin huyết thanh bò có phân tử gam

khoảng 69kDa, kích thƣớc khoảng 4×4×14nm3. Protein BSA đƣợc hợp thành từ 607

axit amine; gồm 35 nhóm cystiene trong đó có các nhóm chức SH, 99 nhóm

carboxyl COOH và 103 nhóm amine NH2.

Hình 5.3. Cấu trúc chung của các axit amin

Cấu trúc chung của các axit amin đƣợc trình bày trên hình 5.2. Trong đó R là gốc có

chứa các nhóm chức SH.

Khi đƣa BSA vào trong dung dịch chứa các hạt nano vàng sẽ hình thành liên

kết giữa nhóm –SH trong BSA với bề mặt hạt nano vàng.

Hình 5.4. Sơ đồ gắn kết phân tử BSA lên bề mặt của hạt nano vàng(Au@BSA)

5.1.3. Gắn kết với glutathione (GSH)

Hình 5.5. Cấu trúc phân tử GSH

Glutathione là một tripeptite nội sinh đƣợc tổng hợp từ ba axit amin là L-

Glycin, L-Glutamin4 và L-Cystein. Nó có vai trò quan trọng trong phòng và dập các

gốc tự do cũng nhƣ các stress oxy hóa. Trên phân tử GSH có ba loại nhóm chức là –

SH, - NH2 và COOH (hình 5.5), trong đó nhóm –SH sẽ gắn lên bề mặt hạt vàng tạo

BSA Au Au

125

liên kết bền Au –S. Do đó, sau khi gắn kết, bề mặt hạt nano vàng sẽ có hai loại

nhóm chức là –NH2 và –COOH có khả năng tham gia các phản ứng sinh hóa.

Các mẫu sau khi gắn kết đƣợc khảo sát phổ hấp thụ UV-Vis, thế Zeta và

phổ hồng ngoại để kiểm tra cấu trúc bề mặt cũng nhƣ sự thay đổi tính chất quang

của chúng.

5.2. Một số kết quả gắn kết phân tử sinh học/tƣơng thích sinh học lên các cấu

trúc nano vàng

Phổ hồng ngoại của Au@BSA và BSA đƣợc trình bày nhƣ hình 5.6

Hình 5.6. Phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR) của protein BSA và Au@BSA

Phổ hấp thụ hồng ngoại của dung dịch BSA (đƣờng màu xanh) gồm các đỉnh

chính tại số sóng 1660cm-1

và 1541cm-1

đặc trƣng cho liên kết amid của protein

BSA. Ngoài ra các đỉnh này còn đặc trƣng cho các dao động hóa trị của các nhóm

C=O, COOH và dao động biến dạng của NH và NH2. Đỉnh tại 1390 cm-1

đƣợc quy

cho dao động của nhóm C-N. Đỉnh tại 1240 cm-1

đƣợc quy cho dao động của CH2

hoặc của nhóm S-H. Đƣờng màu đỏ là phổ hấp thụ hồng ngoại của dung dịch

Au@BSA, có thể nhận thấy cƣờng độ của đỉnh tại 1240 cm-1

và 1541 cm-1

bị giảm

đồng thời xuất hiện một đỉnh mới tại vị trí 1613 cm-1

thuộc nhóm vạch đặc trƣng

126

cho các dao động của nhóm amine. Sự thay đổi mạnh trong các liên kết C-N, CH2,

carbolxyl và amine của BSA chứng tỏ có sự liên kết giữa các phân tử BSA và hạt

nano vàng.

Hình 5.7. Ảnh TEM của hạt nano vàng trước (trái) và sau khi bọc BSA

(phải), thang đo 50 nm

Quan sát ảnh TEM có thể nhận thấy hạt nano vàng sau khi bọc BSA có một

lớp dày khoảng 4nm bao xung quanh, chiều dày này tƣơng đƣơng với kích thƣớc

của phân tử protein BSA (4414 nm). Kết quả này một lần nữa khẳng định việc

bọc thành công các phân tử protein BSA lên các hạt nano vàng. Việc gắn kết các

phân tử BSA lên các hạt nano vàng không những giúp các hạt nano vàng không còn

bị ảnh hƣởng của pH của môi trƣờng xung quanh mà còn có tác dụng làm giảm khối

lƣợng riêng trung bình của các hạt dẫn đến có thể giảm hiện tƣợng sa lắng của các

hạt này trong dung dịch. Chẳng hạn nhƣ đối với một hạt vàng đƣờng kính 15 nm

với khối lƣợng riêng của vàng là 19300 kg/m3, sau khi đƣợc bọc BSA với một lớp

là 4nm thì khối lƣợng riêng của hạt chỉ còn lại khoảng 6000 kg/m3 [4]. Điều này

đƣợc chứng minh qua độ ổn định của các dung dịch hạt nano vàng bọc và không

bọc BSA theo thời gian.

Để khảo sát độ ổn định theo thời gian của các dung dịch hạt đã gắn kết và

không gắn kết với các phân tử BSA, chúng tôi khảo sát phổ hấp thụ plasmon của

chúng theo thời gian.

127

Hình 5.8. Phổ hấp thụ plasmon của các dung dịch hạt nano vàng không gắn kết với

BSA (trái) và có gắn BSA (phải) theo thời gian bảo quản

Hình 5.8 cho thấy rõ sự khác biệt về phổ hấp thụ plasmon của các dung dịch

gắn kết và không gắn kết với BSA theo thời gian. Đối với dung dịch hạt nano vàng

không gắn kết với BSA thì độ hấp thụ giảm mạnh theo thời gian, chỉ sau một tuần

phần lớn các hạt kết tụ lại với nhau thành các hạt lớn hơn, làm nồng độ hạt giảm

mạnh, do đó làm giảm cƣờng độ hấp thụ (hình 5.8 trái). Trong khi đó, phổ hấp thụ

của các dung dịch hạt nano vàng có bọc BSA gần nhƣ không thay đổi sau hai tuần

(hình 5.8 phải). Thực tế cho thấy các dung dịch hạt sau khi đã bọc với các phân tử

sinh học và tƣơng thích sinh học có thể ổn định trong khoảng vài tháng.

Các kết quả gắn kết hạt nano vàng với các phân tử BSA đƣợc đƣa ra nhƣ một

thí dụ điển hình cho việc gắn kết hạt nano vàng với các phân tử sinh học và tƣơng

thích sinh học nhằm tăng độ ổn định của các hạt nano vàng để hƣớng tới các ứng

dụng trong y sinh.

Một kết quả khác về sự gắn kết của nano vàng với các phân tử sinh học và

tƣơng thích sinh học đƣợc trình bày dƣới đây là của các hạt nano SiO2/Au. Các kết

quả gắn kết của hạt nano SiO2/Au với các phân tử BSA, GSH, PEG và kháng thể

IgG/BSA (kháng thể IgG đƣợc phân tán trong dung dịch BSA) đƣợc khảo sát thông

qua phổ hấp thụ và thế Zeta của các dung dịch tƣơng ứng.

128

650 700

0.96

Au

Au@BSA

Au@GSH

Au@PEG

Au@IgG

§é

hÊp

th

ô c

huÈn

hã

a (®

.v.t

.y)

B­íc sãng (nm)

Hình 5.9. Phổ hấp thụ plasmon của dung dịch hạt SiO2/Au trước và sau khi gắn kết

với các phân tử khác nhau BSA, GSH, PEG, IgG/BSA

Hình 5.9 cho thấy hạt nano vàng (SiO2/Au) sau khi bọc GSH, BSA và PEG thì

đỉnh hấp thụ plasmon dịch nhẹ về phía sóng dài (khoảng 2 nm), còn khi gắn kết với

kháng thể IgG/BSA thì đỉnh cộng hƣởng plasmon dịch mạnh hơn (khoảng 12 nm).

Kết quả này cũng phù hợp với các nghiên cứu trƣớc đây [77].

Kết quả đo thế Zeta của các dung dịch trên đƣợc trình bày trên hình 5.10 và

bảng 5.1.

Bảng 5.1. Kết quả thế Zeta của các dung dịch hạt nano SiO2/Au trước và sau

khi gắn kết với các phân tử BSA, GSH, PEG và kháng thể IgG/BSA

STT Dung dịch hạt Thế Zeta (mV) Vị trí các đỉnh (mV)

1 SiO2/Au@IgG/BSA -39 -47 và -30

2 SiO2/Au@BSA -33.9 -33.9

3 SiO2/Au@PEG -18.6 -18.6

4 SiO2/Au@GSH -42.3 -42.3

5 SiO2/Au -31.9 -31.9

129

Kết quả cho thấy những mẫu gắn đơn chất cho một giá trị thế Zeta, mẫu

SiO2/Au@ IgG/BSA cho hai đỉnh ứng với hai giá trị thế Zeta. Điều này có thể đƣợc

giải thích nhƣ sau: đỉnh có thế Zeta bằng -30mV gần với giá trị thế Zeta khi hạt

nano SiO2/Au gắn kết với các phân tử BSA (-33.9 mV) đƣợc quy cho là tƣơng ứng

với sự gắn kết của các phân tử BSA lên bề mặt hạt; còn đỉnh có thế Zeta bằng -

47mV đƣợc quy cho là tƣơng ứng với sự gắn kết của kháng thể IgG lên hạt

SiO2/Au.

Hình 5.10. Thế zeta của nanoshells gắn kết với các phân tử GSH, PEG, BSA và

kháng thể IgG/BSA

Kết hợp các kết quả đo phổ hấp thụ plasmon và thế Zeta có thể nói rằng các

phân tử GSH, PEG, BSA và IgG đã gắn kết lên bề mặt hạt SiO2/Au.

Các nghiên cứu gắn kết các phân tử tƣơng thích sinh học trên thanh nano

vàng đã đƣợc trình bày trong phần 4.5 chƣơng 4. Các thanh nano vàng và hạt nano

130

SiO2/Au sẽ đƣợc sử dụng trong phần ứng dụng hiện ảnh tế bào và khảo sát hiệu ứng

chuyển đổi quang nhiệt.

5.3. Kết quả sử dụng hạt nano vàng trong hiện ảnh tế bào

Ảnh hiển vi trƣờng tối đƣợc thu nhận dựa trên tín hiệu tán xạ ánh sáng của vật

mẫu. Trong nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã có những nghiên cứu có hệ thống về

ứng dụng hiện ảnh tế bào của các hạt nano vàng. Trong luận án này, chúng tôi chỉ

đề cập đến ứng dụng này nhƣ một ví dụ minh họa cho hạt nano vàng trong hiện ảnh

tế bào. Hình 5.11 là một ví dụ minh họa cho ứng dụng của hạt nano vàng trong hiện

ảnh tế bào ung thƣ BT - 474. Hạt nano vàng đƣợc sử dụng trong thí nghiệm này là

hạt nano cấu trúc lõi/vỏ SiO2 /Au.

Dòng tế bào BT-474 là dòng tế bào ung thƣ vú ở ngƣời, có nguồn gốc biểu

mô, có thời gian nhân đôi khoảng 29 giờ. Dòng tế bào này đƣợc cung cấp bởi trung

tâm lƣu trữ giống nuôi cấy Hoa Kỳ (ATCC) và đƣợc lƣu trữ tại nhóm nghiên cứu

Ung thƣ Thực nghiệm, khoa Sinh học, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học

Quốc Gia Hà Nội. Các tế bào sống đƣợc ủ với các hạt nano vàng bọc BSA và phức

hệ Au@ IgG-HER2 trong 24h. Sau đó, những tế bào này đã đƣợc cố định với 4%

paraformaldehyde. Các tế bào đƣợc hiện ảnh bằng kính hiển vi Nikon Ti-E soi

ngƣợc trong chế độ trƣờng tối.

Hình 5.11. Ảnh hiển vi trường tối của tế bào ung thư nuôi cấy BT -474 (A), ảnh

hiển vi trường tối của tế bào ung thư BT-474 được đánh dấu bằng phức hệ Au@

IgG-HER2 (B) và ảnh hiển vi trường tối của tế bào ung thư BT-474 được ủ với hạt

nano vàng@BSA (C).

131

Hình 5.11 (A) là ảnh tán xạ của các tế bào ung thƣ BT-474. Tế bào có dạng

tròn, có thể quan sát đƣợc một số vị trí trong các tế bào nhờ các chấm mờ có đƣợc

do tán xạ từ các bào quan đƣợc phân bố trong tế bào chất và màng. Ảnh tán xạ của

các tế bào khi không và có ủ với các hạt nano vàng @BSA (hình 5.11 (A) và (C))

không có sự khác biệt đáng kể. Điều này chỉ ra rằng các hạt nano vàng @ BSA

không gắn kết tốt với tế bào, hình ảnh quan sát đƣợc chủ yếu là do các bào quan

trên tế bào chất và màng tế bào tán xạ ánh sáng. Tế bào sau khi đƣợc ủ với phức hệ

Au@ IgG-HER2, các hạt nano vàng thâm nhập vào trong tế bào nhờ liên kết đặc

hiệu với các thụ thể kháng nguyên HER2 có mặt trong tế bào chất. Nhờ sự tán xạ

mạnh của các hạt nano vàng nên các đốm sáng rõ trong tế bào chất đƣợc hiện rõ

trên ảnh hiển vi trƣờng tối (hình 5.11 (B)).

5.4. Ứng dụng quang nhiệt của các cấu trúc nano vàng trên mô thịt

Hiệu ứng này dựa trên khả năng hấp thụ ánh sáng của các cấu trúc nano vàng.

Ánh sáng chiếu vào mẫu một phần bị tán xạ và một phần bị hấp thụ. Tuy nhiên chỉ

phần ánh sáng bị hấp thụ mới chuyển đổi thành nhiệt năng làm tăng nhiệt độ môi

trƣờng xung quanh. Do đó, các cấu trúc nano vàng với đặc tính hấp thụ mạnh ánh

sáng trong vùng hồng ngoại gần (700 nm đến 900 nm) sẽ đƣợc sử dụng do đây là

cửa sổ quang học của da ngƣời và động vật. Các thanh nano vàng tỉ lệ các cạnh

bằng 4.0 và các hạt nano SiO2/Au với tỉ lệ lõi/vỏ bằng 8.6 kích thƣớc lõi là 130 nm,

độ dày vỏ bằng 15 nm đƣợc lựa chọn cho điều này.

5.4.1. Bố trí thí nghiệm

Hình 5.12. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát hiệu ứng quang nhiệt trên mô thịt.

132

Hiệu ứng quang nhiệt đƣợc thực hiện trên hệ thí nghiệm đƣợc dựng tại phòng

thí nghiệm Nanobiophotonics (hình 5.12), gồm các phần chính là: laser diode

(808nm, 2W) đƣợc sử dụng làm nguồn chiếu sáng. Ánh sáng laser đƣợc dẫn tới mẫu

qua một sợi dẫn quang có đƣờng kính lõi 400±8µm (Ocean Optics P400-2-UV-VIS)

góc mở NA=0.2. Khảo sát nhiệt độ của các mẫu thịt gà với kích thƣớc thay đổi lần

lƣợt 4×4×1 mm, 4×4×2 mm, 4×4×3 mm, 4×4×4 mm đƣợc tiêm một lƣợng giống

nhau là 0,3 µl các dung dịch hạt nano:

SiO2/Au nồng độ 1,2.1011

hạt/ml ~ 3,6.107hạt/ml

Thanh nano nồng độ 3,6x1013

hạt/ml ~ 1010

hạt/ml

Phổ hấp thụ của các dung dịch hạt đƣợc biểu diễn trên hình 5.13.

Hình 5.13. Phổ hấp thụ plasmon của dung dịch thanh nano vàng (hình trái)

và SiO2/Au (hình phải)

Các dung dịch sử dụng trong thí nghiệm đƣợc đƣa về có cùng độ hấp thụ là 12

ở bƣớc sóng 808 nm và đƣợc chiếu bởi chùm laser song song. Mật độ công suất

chiếu trên bề mặt mẫu là 7,0W/cm2 với đƣờng kính vết chiếu là 1,5 mm và mật độ

công suất đến mẫu đƣợc liệt kê ở bảng 5.2. Các mẫu đối chứng là mẫu không đƣợc

tiêm hạt có chiều dày tƣơng ứng cũng đƣợc chiếu laser ở cùng điều kiện.

Bƣớc sóng (nm)

Độ

hấp

th

ụ (

a.u

)

133

Bảng 5.2. Mật độ công suất ứng với chiều dày mẫu thay đổi

Chiều dày lớp

mô (mm)

Công suất sau khi qua mô

(W)

Mật độ công suất sau khi

qua mô (W/cm2)

0 0,13 7,3

1 0,085 4,8

2 0,065 3,6

3 0,045 2,5

4 0,032 1,8

5.4.2. Kết quả ứng dụng quang nhiệt

Hình 5.14 biểu diễn kết quả đo nhiệt độ của mẫu khi đƣợc tiêm các hạt nano

SiO2/Au và thanh nano vàng có cùng độ hấp thụ. Đồ thị thể hiện sự biến đổi nhiệt

độ của hệ theo thời gian chiếu laser có dạng giống nhau giữa các mẫu hạt khác nhau

và độ dày mẫu khác nhau. Nhiệt độ tăng nhanh sau 100 giây chiếu laser và đạt trạng

thái cân bằng ở các thời gian chiếu tiếp theo. Sau khi ngừng chiếu laser, nhiệt độ

của mẫu giảm về nhiệt độ phòng sau 100 giây. Kết quả cho thấy với cùng điều kiện

chiếu sáng thì nhiệt độ của các mẫu tiêm các hạt nano vàng đều đạt đƣợc khoảng

49÷51 0C đối với mẫu dày 1mm, 45÷46

0C đối với mẫu dày 2 mm, 40÷43

0C đối

với mẫu dày 3 mm và 33÷35 0C đối với mẫu dày 4 mm. Nhƣ vậy nhiệt độ của các

mẫu có cùng độ dày đƣợc tiêm các hạt nano vàng có cùng độ hấp thụ tại bƣớc sóng

kích thích là gần nhƣ nhau.

134

0 200 400 600 80025

30

35

40

45

50

55

MÉu tiªm thanh nano vµng

MÉu tiªm h¹t SiO2/Au

MÉu ®èi chøng

1 mm

Thêi gian [s]

Nh

iÖt

®é

[oC

]

0 200 400 600 800

25

30

35

40

45

50

55

MÉu tiªm thanh nano vµng

MÉu tiªm h¹t SiO2/Au

MÉu ®èi chøng

2 mm

Nh

iÖt

®é

(0C

)

Thêi gian [s]

0 200 400 600 80025

30

35

40

45

50

55

MÉu tiªm h¹t thanh nano vµng

MÉu tiªm h¹t SiO2/Au

MÉu ®èi chøng

Nh

iÖt

®é

(0C

)

Thêi gian [s]

3 nm

0 200 400 600 80025

30

35

40

45

50

55

MÉu tiªm h¹t thanh nano vµng

MÉu tiªm h¹t SiO2/Au

MÉu ®èi chøng

Nh

iÖt

®é

(0 C)

Thêi gian (s)

4mm

Hình 5.14. Sự biến đổi nhiệt độ theo thời gian chiếu sáng bằng laser bước sóng 808 nm

của các mẫu tiêm các hạt nano vàng cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au, thanh nano vàng có cùng

độ hấp thụ, các mẫu có độ dày 1 mm, 2mm, 3mm, 4mm.

Bảng 5.3 tổng hợp nhiệt độ cực đại đạt đƣợc Tmax của các mẫu với độ dày mẫu

khác nhau đƣợc chiếu sáng bằng laser 808 nm

135

Bảng 5.3. Nhiệt độ Tmax đạt được của mẫu tiêm các hạt nano SiO2 /Au, thanh

nano vàng ở cùng độ hấp thụ khi được chiếu sáng bằng laser 808 nm.

Độ dày

mẫu

(mm)

Mật độ công

suất laser

chiếu tại hạt

(W/cm2)

Nhiệt độ cực đại của mẫu khi chiếu laser

(Tmax ± 3oC)

Mẫu đối chứng Mẫu tiêm thanh

nano vàng

Mẫu tiêm hạt

SiO2/Au

1 4,8 39 51 51

2 3,6 34 45 46

3 2,5 32 43 41

4 1,8 31 35 35

Hình 5.15 biểu diễn sự chênh lệch nhiệt độ cực đại của các mẫu và nhiệt độ

môi trƣờng khi mẫu đƣợc tiêm dung dịch nano vàng phụ thuộc vào mật độ công

suất chiếu tại hạt. Kết quả cho thấy khi mật độ công suất chiếu tại hạt tăng thì nhiệt

độ của mẫu cũng tăng lên.

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

4

6

8

10

12

MÉu tiªm thanh nano vµng

MÉu tiªm h¹t SiO2/Au

C

MËt ®é c«ng suÊt chiÕu t¹i h¹t (W/cm2)

Hình 5.15. Sự phụ thuộc nhiệt độ chênh lệch của các mẫu chứa dung dịch

nano vàng với nhiệt độ môi trường vào mật độ công suất chiếu tại hạt.

136

Hệ số chuyển đổi quang nhiệt của các hạt nano vàng trong thí nghiệm sẽ đƣợc

tính toán với các gần đúng sau: trong mô thịt có tới 79% thể tích là nƣớc nên để đơn

giản cho việc tính toán, ta có thể coi hệ đƣợc xét trong môi trƣờng nƣớc, khối lƣợng

riêng của mô thịt coi là khối lƣợng riêng của nƣớc (D = 1000kg/m3) và nhiệt dung

riêng của thịt coi là nhiệt dung riêng của nƣớc (nƣớc c = 4200 J/kg.độ).

Coi phần mô thịt có hạt vàng là hình trụ có đƣờng kính đáy là 0.15 cm và

chiều cao 0.07cm. Nhƣ vậy diện tích vùng toả nhiệt S là diện tích xung quanh của

hình trụ và tính đƣợc S = 0,069 cm2.

Áp dụng tính toán với mẫu có độ dày 4 mm, kết quả đo nhiệt của mẫu đối

chứng cho phép tính đƣợc nhiệt lƣợng do mô thịt hấp thụ trực tiếp ánh sáng laser

trong thời gian chiếu 600s và làm tăng nhiệt độ của hệ Qsurr là Qsurr=c.m.T/thời

gian chiếu. Mẫu thịt có độ dày 4 mm thì giá trị Qsurr = 8.6*10-3

mW.

Sử dụng kết quả hệ số truyền nhiệt trên diện tích vùng chiếu laser của nhóm

Colin M.Hesel [85], hệ số truyền nhiệt h tƣơng ứng với các loại hạt là:

+ hSiO2/Au =14.74 mW/cm2.độ

+ hthanh nano vàng = 14,\.65 mW/cm2.độ.

Áp dụng công thức (1.28):

chúng tôi tính đƣợc hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt η đối với các loại hạt nhƣ sau:

+ η SiO2/Au = 22 %

+ η thanh nano vàng = 24 %.

Vậy các hạt nano có cùng độ hấp thụ tại bƣớc sóng chiếu sáng thì hạt nano

SiO2/Au có hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt tƣơng đƣơng với thanh nano vàng.

Kết quả này cũng phù hợp với các kết quả đã đƣợc công bố trong một số tài liệu

[23,45].

137

Kết luận chƣơng 5

Trong chƣơng này chúng tôi trình bày các thí nghiệm và kết quả khảo sát ứng

dụng của các loại hạt đã chế tạo đƣợc trong hiện ảnh tế bào và hiệu ứng quang nhiệt

trên mô thịt.

Kết quả cho thấy các mẫu thịt đƣợc tiêm các hạt nano vàng có cùng độ hấp thụ tại

bƣớc sóng laser kích thích có nhiệt độ tăng từ 4-120C so với mẫu đối chứng, tùy thuộc

vào mật độ công suất chiếu tại hạt. Mật độ công suất chiếu tại hạt càng lớn thì sự gia

nhiệt càng nhiều. Hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt η của các mẫu tiêm hạt SiO2 /Au và

thanh nano vàng tƣơng ứng là 22 % và 24%.

Hạt nano SiO2/Au đã đƣợc sử dụng trong ứng dụng hiện ảnh tế bào ung thƣ vú

BT-474 cho kết quả tốt cho thấy tiềm năng của các hạt nano vàng trong chẩn đoán

và điều trị bệnh.

138

Kết luận chung

Luận án đã thực hiện mục tiêu nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất

quang của các nano vàng cấu trúc khác nhau nhƣ dạng cầu, dạng thanh và dạng

lõi/vỏ với kích thƣớc thay đổi. Đồng thời sử dụng các vật liệu chế tạo đƣợc ứng

dụng trong hiện ảnh tế bào và khảo sát hiệu ứng quang nhiệt trên mô thịt. Các kết

quả luận án đã đạt đƣợc cũng nhƣ những đóng góp mới của luận án là:

1. Chế tạo vật liệu

Sử dụng phương pháp nuôi mầm để tổng hợp các cấu trúc nano vàng tại

nhiệt độ phòng với kích thước được kiểm soát:

Các hạt nano vàng dạng cầu đơn phân tán với đƣờng kính biến thiên từ 20,5

nm đến 2004,5 nm đã đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp “nuôi” mầm, sử

dụng các mầm là các hạt vàng Duff-Baiker kích thƣớc 1-3 nm và vàng citrate

kích thƣớc 19 1 nm, với dung dịch nuôi chứa các phức ion vàng

[AuClx(OH)4-x]. Các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au với đƣờng kính lõi từ

40-150nm, và độ dày lớp thay đổi trong khoảng 12-22 nm đã đƣợc tổng hợp

bằng phƣơng pháp nuôi mầm theo quy trình 4 bƣớc.

Các thanh nano vàng kích thƣớc nhỏ, đƣờng kính thay đổi từ 10 nm – 15 nm,

chiều dài thay đổi từ 20 nm – 45 nm, tỉ lệ các cạnh từ 2 - 4.5, có đỉnh cộng

hƣởng plasmon nằm trong vùng 700-900 nm đã đƣợc tổng hợp trên cơ sở

khảo sát ảnh hƣởng của các yếu tố lên quá trình phát triển bất đẳng hƣớng

của hạt mầm trong dung dịch. Qua đó rút ra quy trình chế tạo phù hợp để có

các thanh nano vàng có các đặc tính quang nhƣ mong muốn.

139

2. Đặc tính hấp thụ plasmon của các cấu trúc nano vàng

Trên cơ sở các vật liệu đã chế tạo chúng tôi khảo sát một cách hệ thống các đặc

trưng quang học của các hạt nano vàng dạng cầu, dạng thanh và cấu trúc lõi/vỏ

Các hạt nano vàng dạng cầu dƣới 10 nm có phổ hấp thụ cộng hƣởng plasmon

là một dải rộng với độ rộng bán phổ rất lớn, đỉnh hấp thụ nằm trong dải từ

505-510 nm; các hạt có kích thƣớc lớn hơn, phổ hấp thụ plasmon có một

đỉnh cộng hƣởng với độ rộng bán phổ nhỏ hơn rất nhiều so với độ bán rộng

phổ của các hạt nhỏ. Các hạt càng lớn thì đỉnh cộng hƣởng càng dịch về phía

sóng dài; khi kích thƣớc các hạt trên khoảng 140 nm thì phổ hấp thụ cộng

hƣởng plasmon xuất hiện thêm một đỉnh ở phía sóng dài là kết quả của sự

tƣơng tác giữa ánh sáng với các mode dao động bậc cao. Các tính toán lý

thuyết về tiết diện dập tắt, tán xạ và hấp thụ phụ thuộc kích thƣớc hạt hoàn

toàn phù hợp với các kết quả thu đƣợc từ thực nghiệm.

Khảo sát đƣợc sự phụ thuộc của phổ cộng hƣởng plasmon của các dung dịch

hạt vào tỷ lệ đƣờng kính lõi và độ dày lớp vỏ. Kết quả cho thấy khi lƣợng hạt

mầm vàng đủ lớn để phủ kín bề mặt hạt lõi thì phổ cộng hƣởng plasmon có

hai tần số cộng hƣởng và dịch về phía sóng dài (800nm-900nm) khi tỷ lệ

lõi/vỏ tăng. Từ đó rút ra các bộ thông số cho quy trình chế tạo các hạt nano

SiO2 /Au có kích thƣớc và phổ hấp thụ plasmon phù hợp với các ứng dụng

cụ thể.

Phổ cộng hƣởng plasmon của các thanh nano vàng có hai đỉnh đặc trƣng

tƣơng ứng với các mode dao động của điện tử theo hai trục của thanh. Luận

án đã khảo sát đƣợc sự phụ thuộc của vị trí đỉnh cộng hƣởng plasmon theo

chiều dọc vào tỉ lệ các cạnh của thanh. Đồng thời, nghiên cứu đƣợc sự phụ

thuộc của tính chất quang của thanh nano vàng vào chiết suất của môi trƣờng

bao quanh chúng.

140

3. Ứng dụng

Luận án trình bày các kết quả ứng dụng của các cấu trúc nano vàng chế tạo

đƣợc theo hai hƣớng ứng dụng chính của chúng trong y sinh là chẩn đoán và điều trị

bệnh. Cụ thể là: sử dụng các hạt nano vàng cấu trúc lõi/vỏ để hiện ảnh đặc hiệu tế

bào ung thƣ BT – 474 và khảo sát hiệu ứng chuyển đổi quang nhiệt trên mô sống

của các thanh nano vàng và hạt nano vàng cấu trúc lõi/vỏ. Kết quả nghiên cứu cho

thấy nhờ đặc tính tán xạ mạnh ánh sáng trong vùng khả kiến mà các hạt nano

SiO2/Au cho hiệu tốt trong việc hiện ảnh tế bào. Đồng thời nhờ vào sự hấp thụ

mạnh ánh sáng hồng ngoại gần của các thanh nano vàng và hạt nano cấu trúc lõi/vỏ

SiO2/Au, nhiệt độ của môi trƣờng xung quanh chúng tăng lên từ 40C đến 12

0C khi

đƣợc chiếu sáng bằng laser 808 nm.

Kiến nghị

Qua các kết quả nhận đƣợc từ việc thực hiện luận án này cho thấy tiềm năng

của các hạt nano vàng trong các ứng dụng chẩn đoán và điều trị ung thƣ bằng liệu

pháp quang nhiệt tại Việt Nam. Để chuẩn bị cho việc điều trị bằng phƣơng pháp

mới này thì các nghiên cứu tiền lâm sàng, nghiên cứu in vivo cần tiến hành để rút

ra quy trình điều trị ung thƣ nhƣ : liều chiếu, thời gian chiếu và lƣợng hạt sử dụng

để có thể hoàn toàn phá hủy khối u mà không làm ảnh hƣởng tới các mô lành xung

quanh.

Đồng thời với việc đó thì có thể nghiên cứu tạo các hạt vàng đa chức năng

vừa mang thuốc điều trị ung thƣ vừa có thể hƣớng đích chủ động để đồng thời

phát huy tác dụng kép khi sử dụng hạt này trong hiệu ứng quang nhiệt để điều trị

ung thƣ.

141

DANH MỤC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

1. T.H.L.Nghiem, T.N. Le, T.H.Do, T.T.D. Vu, Q.H.Do, and H. TN. Tran,

“Preparation and characterization of silica–gold core–shell nanoparticles”,

J.Nanoparticle Res., vol. 15, no. 11, Nov. 2013.

2. Thi Ha Lien Nghiem, Tuyet Ngan Le, Thi Hue Do, Thi Thuy Duong Vu, Quang

Hoa Do, and Hong Nhung Tran “Preparation and characterization of silica –

gold core – shell (SiO2 @ Au) nanoparticles”, advances in Optics photonics

spectroscopy and applications VII, ISSN 1859-4271

3. Thi Ha Lien Nghiem, Thi Hue Do, Van Tuyen Nguyen, Thi Hai Nguyen, Thi My

An Nguyen, Duong Vu, Quang do Hoa, Thi Thuy Duong Vu and Hong Nhung

Tran, “Synthesis and biofunctionalization of gold nanoshells for biomedical

applications”, advances in Optics photonics spectroscopy and applications VIII,

ISSN 1859-4271.

4. Do Thi Hue, Nghiem Thi Ha Lien and Tran Hong Nhung, “Synthesis and

characterization of fine colloidal gold nanoparticles”,the second academic

conference on natural science for master and phD students from Cambodia,

Laos, Malaysia and Viet Nam, ISBN 978-604-913-088-5, 2012.

5. Tran Hong Nhung, Nghiem Thi Ha Lien, Emmanuel Fort, Le Quang Huan,

Nguyen Thi Quy, Do Quang Hoa, Vu Thi Thuy Dƣơng, La Thi Huyen, Nguyen

Thanh Phuong, Nguyen Thi Tuyen, Do Thi Hue “Biofunctionalisation of gold

nanoparticles for biomedical applications”, IWNA, Vung Tau, Viet Nam,2011

6. Thi Hue Do, Thi Thuy Nguyen, Thi Ha Lien Nghiem and Hong Nhung Tran

“Synthesis and optical characterization of small diameter gold nanoshells for

biomedical applications”, The 3rd

Academic Conference on Natural Science for

Master and PhD Students From Cambodia – Laos – Malaysia – Viet Nam, 11-

15, Phnom Penh, Cambodia, ISBN 978-604-913-088-5, 2013.

7. Trong Nghia Nguyen, Thi Hue Do, Dinh Hoang Nguyen, Duong Vu, Quang Hoa

Do, Hong Nhung Tran, and Thi Ha Lien Nghiem, “Enhanced absorption and

142

fluorescence of gold nanoclusters using initial alkali concentrations”, Applied

Physics Express 9, 2016.

8. Đỗ Thị Huế, Nguyễn Thị Bích Ngọc, Vũ Văn Sơn , Vũ Thị Thùy Dƣơng,

Nguyễn Trọng Nghĩa , Đỗ Quang Hòa, Trần Hồng Nhung, và Nghiêm Thị Hà

Liên, “ Chế tạo nano vàng dạng thanh cho các ứng dụng trong y sinh”, the

International Conference on Applied & Engineering Physics, October 2015 in

Hanoi, Vietnam.

9. Đỗ Thị Huế, Nguyễn Thị Bích Ngọc, Vũ Dƣơng, Vũ Văn Sơn, Nguyễn Trọng

Nghĩa , Đỗ Quang Hòa, Trần Hồng Nhung và Nghiêm Thị Hà Liên, “ Chế tạo

nano bạc dạng thanh định hƣớng ứng dụng trong y sinh”, the International

Conference on Applied & Engineering Physics, October 2015 in Hanoi,

Vietnam.

10. Đỗ Thị Huế, Chu Việt Hà, Nghiêm Thị Hà Liên, Trần Hồn Nhung, “Chế tạo

nano vàng dạng thanh cho các ứng dụng trong y sinh”, tạp chí Khoa học Công

Nghệ Thái Nguyên, 155 (10), 2016.

11. Nguyen Van Minh, Do Thi Hue, Nghiem Thi Ha Lien, Vu Thu Hien, Vu Ngoc

Hung, Chu Manh Hoang, “Self-assembly of close-packed monolayer of silica

nanospheres on silicon substrate with infrared irradiation”, Proceeding of the

third international conference on 142ssessme materials and nanotechnology,

ISBN 978-604-95-0010-7, (2016).

12. Do Thi Hue, Vu Thi Thuy Duong, Nguyen Trong Nghia, Tran Hong Nhung,

Nghiem Thi Ha Lien, Seeded growth synthesis of gold nanorods for

photothermal application, Vietnam Journal of Science and Technology 56 (2)

(2018) 148-157

13. V.T.T.Duong, Anh D. phan, Nghiem T. H. Lien, Do T. Hue, Do Q. Hoa, Do T.

Nga, Tran H. Nhung, and Nguyen A. Viet. Near – infrared photothermal

response of plasmonic gold – coated nanoparticles in tissues. Phys.status solidi

A, 2017,1700564.

143

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt

1. Chu Việt Hà (2012), “ Nghiên cứu quá trình phát quang trên cơ sở vật liệu nano

chứa tâm màu định hướng đánh dấu sinh học.”, Luận án tiến sĩ Vật lý, Viện Vật lý

2. Đỗ Thị Huế (2011), “Nghiên cứu chế tạo hạt nano vàng kích thước nhỏ dùng

trong chế tạo hạt nano đa lớp“ luận văn thạc sĩ , Viện Vật lý

3. Lê Thị Tuyết Ngân (2012), “Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang của hạt cấu

trúc lõi/vỏ: silica/vàng” luận văn thạc sĩ , Viện Vật lý

4. Nguyễn Thị Tuyến (2011), “Nghiên cứu chế tạo và chức năng hóa hạt nano

vàng định hướng ứng dụng trong sinh học”, luận văn thạc sĩ, viện vật lý

Tài liệu tiếng Anh

5. Agasti S.S., Rana S., Park M.-H., et al. (2010). Nanoparticles for detection and

diagnosis. Adv Drug Deliv Rev, 62(3), 316–328.

6. Alice M. Q., (2007). Factors that affect the synthesis of gold nanorods.

Chemistry, 32 -33.

7. Adnan N.N.M., Cheng Y.Y., Ong N.M.N., et al. (2016). Effect of gold

nanoparticle shapes for phototherapy and drug delivery. Polym Chem, 7(16),

2888–2903.

8. Bardhan R., Grady N.K., Ali T., et al. (2010). Metallic nanoshells with

semiconductor cores: optical characteristics modified by core medium

properties. ACS Nano, 4(10), 6169–6179.

9. Bastús N.G., Comenge J., and Puntes V. (2011). Kinetically Controlled Seeded

Growth Synthesis of Citrate-Stabilized Gold Nanoparticles of up to 200 nm:

Size Focusing versus Ostwald Ripening. Langmuir, 27(17), 11098–11105.

144

10. Banoee M., Ehsanfar Z., Mokhtari N., et al. (2010). The green synthesis of

gold nanoparticles using the ethanol extract of black tea and its tannin free

fraction. Iran J Mater Sci Eng, 7(1), 48–53.

11. Bhumkar D.R., Joshi H.M., Sastry M., et al. (2007). Chitosan Reduced Gold

Nanoparticles as Novel Carriers for Transmucosal Delivery of Insulin. Pharm

Res, 24(8), 1415–1426.

12. Brust M., Walker M., Bethell D., et al. (1994). Synthesis of thiol-derivatised

gold nanoparticles in a two-phase Liquid–Liquid system. J Chem Soc, Chem

Commun, (7), 801–802.

13. Brown K.R., Walter D.G., and Natan M.J. (2000). Seeding of Colloidal Au

Nanoparticle Solutions. 2. Improved Control of Particle Size and Shape. Chem

Mater, 12(2), 306–313.

14. Brantley D.B., Sherine O.O., Catherine J. M. (2003). An improved synthesis of

high – aspect- ratio gold nanorods. Adv. Mater, 15, no.5, 414-416.

15. Canizal G., Ascencio J.A., Gardea-Torresday J., et al. (2001). Multiple twinned

gold nanorods grown by bio-reduction techniques. J Nanoparticle Res, 3(5),

475–481.

16. Cole L.E., Ross R.D., Tilley J.M., et al. (2015). Gold nanoparticles as contrast

agents in x-ray imaging and computed tomography. Nanomed, 10(2), 321–341.

17. Corbierre M.K., Beerens J., and Lennox R.B. (2005). Gold Nanoparticles

Generated by Electron Beam Lithography of Gold(I)−Thiolate Thin Films.

Chem Mater, 17(23), 5774–5779.

18. Chen C.L., Kuol.R., Lee S.Y., et al. (2013). Photothermal cancer therapy via

femtosec ond-laser-excited FePt nanoparticles. Biomaterials, 34(4):1128-34.

19. Cristian T., Daniela T., Timea S., Simion A., (2014)). Finite-Difference Time-

Domain (FDTD) design of gold nanoparticle chains with specific surface

plasmon resonance. Journal of molecular structure, 1072, 137-143.

145

20. Dong, Shin M.M., El-Sayed A. (2014). Toxicity and Efficacy of Gold

Nanoparticle Photothermal Therapy in Cancer. National institutes of heath.

21. Duff D.G., Baiker A., and Edwards P.P. (1993). A new hydrosol of gold

clusters. 1. Formation and particle size variation. Langmuir, 9(9), 2301–2309.

22. Erickson T.A. and Tunnell J.W. (2007). Gold Nanoshells in Biomedical

Applications. Nanotechnologies for the Life Sciences. ISBN: 978-3-527-

32153-7

23. El-Sayed M.A., Shabaka A.A., El-Shabrawy O.A., et al. (2013). Tissue

Distribution and Efficacy of Gold Nanorods Coupled with Laser Induced

Photoplasmonic Therapy in Ehrlich Carcinoma Solid Tumor Model. PLOS

ONE, 8(10), e76207.

24. Foss C.A., Hornyak G.L., Stockert J.A., et al. (1992). Optical properties of

composite membranes containing arrays of nanoscopic gold cylinders. J Phys

Chem, 96(19), 7497–7499.

25. Frisvad J.R., Christensen N.J., Jensen H.W., Hergert W., Wriedt T., (2012).

The Mie Theory. Springer series in optical sciences ,169.

26. Frens G. (1973). Controlled Nucleation for the Regulation of the Particle Size

in Monodisperse Gold Suspensions. Nature, 241(105), 20–22.

27. Gananathan P., Rao A.P., Singaravelu G., et al. (2016). Plasmonic phototherapy

of gold nanoparticles with Light Emitting Diode. Int J Biomed Res, 7(7), 511–

519.

28. Gesquiere A.J. (2010). Optical Properties and Spectroscopy of Nanomaterials.

J Am Chem Soc, 132(10), 3637–3638.

29. Ge S, Kojio K, Takahara A, Kajiyama T (1998). Bovine serum albumin

adsorption onto immobilized organotrichlorosilane surface: influence of the

phase separation on protein adsorption patterns. Journal of Biomaterials

Science. Polymer Edition. 9 (2), 131–50.

146

30. Haruta M., Kobayashi T., Sano H., et al. (1987). Novel Gold Catalysts for the

Oxidation of Carbon Monoxide at a Temperature far Below 0°C. Chem Lett,

16.

31. Hak-Sung. K., Doo – Sik.M., Jin – Kyn.L. (2012). Quantitative Analysis and

Efficient Surface Modification of Silica Nanoparticles. Journal of

Nanomaterials, Volume 2012, Article ID 593471, 8 pages

32. Hirsch L.R., Stafford R.J., Bankson J.A., et al. (2003). Nanoshell-mediated

near-infrared thermal therapy of tumors under magnetic resonance guidance.

Proc Natl Acad Sci U S A, 100(23), 13549–13554.

33. http://www.mpikg.mpg.de/886871/Colloidal_gold.pdf.

34. https://refractiveindex.info/

35. http://omlc.ogi.edu/calc/mie_calc.html

36. http://www.cytodiagnostics.com/store/pc/Gold-Nanoparticle-Properties-d2.htm

37. Huang X., Jain P.K., El-Sayed I.H., et al. (2008). Plasmonic photothermal

therapy (PPTT) using gold nanoparticles. Lasers Med Sci, 23(3), 217–228.

38. Huang X., Jain P.K., El-Sayed I.H., et al. (2007). Gold nanoparticles:

interesting optical properties and recent applications in cancer diagnostics and

therapy. Nanomed, 2(5), 681–693.

39. Huang X., Neretina S., and El-Sayed M.A. (2009). Gold Nanorods: From

Synthesis and Properties to Biological and Biomedical Applications. Adv

Mater, 21(48), 4880–4910

40. Huang H. J., Yu C. P., Chang H. C., Chiu K. P., Chen H. M., Liu R. S., Tsai D.

P. (2007), “Plasmonic optical properties of single gold nano-rod”, Optics

Express, 15 (12), pp. 7132-7139.

147

41. Hofmeister H., Miclea P.-T., and Mörke W. (2002). Metal Nanoparticle

Coating of Oxide Nanospheres for Core-Shell Structures. Part Part Syst

Charact, 19(5), 359–365.

42. Hsiang –Yung. W., Hsin – Cheng C., Tz-Jun.K., Chi- Liang.K., Michael H.H.,

(2005). Seed-Mediated Synthesis of High Aspect Ratio Gold Nanorods with

Nitric Acid. Chem. Mater, 17 (25), pp 6447–6451.

43. Hövel H., Fritz S., Hilger A., et al. (1993). Width of cluster plasmon

resonances: Bulk dielectric functions and chemical interface damping. Phys

Rev B, 48(24), 18178–18188.

44. Hiroyuki O., Kimiko M., (2014). Colloid and Interface Science in

Pharmaceutical Research and Development, Elsevier, 532

45. Hessel C.M., Pattani V.P., Rasch M., et al. (2011). Copper Selenide

Nanocrystals for Photothermal Therapy. Nano Lett, 11(6), 2560–2566.

46. Holmberg. K., Handbook of applied surface and colloid chemistry. John. W.,

Sons.L., West .S. 2002.

47. Hongjun. Y., Jixiang F. (2016). Particls –mediated nucleation and growth of

solution – synthesized metal nanocrystals. Nano Today. 23.

48. Hristina P, Jorge P.J, Zhenyuan Z, Jing Z, Tom K and Gregory V. H. (2006).

Crystal structure dependence of the elastic constants of gold nanorods, J.

Mater. Chem. 16 (3957–3963).

49. Jana N.R., Gearheart L., and Murphy C.J. (2001). Seeding Growth for Size

Control of 5−40 nm Diameter Gold Nanoparticles. Langmuir, 17(22), 6782–

6786.

50. Jana N.R., Gearheart L., and Murphy C.J. (2001). Seed-Mediated Growth

Approach for Shape-Controlled Synthesis of Spheroidal and Rod-like Gold

Nanoparticles Using a Surfactant Template. Adv Mater, 13(18), 1389–1393.

148

51. Jain P.K., Lee K.S., El-Sayed I.H., et al. (2006). Calculated Absorption and

Scattering Properties of Gold Nanoparticles of Different Size, Shape, and

Composition:  Applications in Biological Imaging and Biomedicine. J Phys

Chem B, 110(14), 7238–7248.

52. Jain P.K., Lee K.S., El-Sayed I.H., et al. (2006). Calculated Absorption and

Scattering Properties of Gold Nanoparticles of Different Size, Shape, and

Composition:  Applications in Biological Imaging and Biomedicine. J Phys

Chem B, 110(14), 7238–7248.

53. Jia H., Fang C., Zhu X.-M., et al. (2015). Synthesis of Absorption-Dominant

Small Gold Nanorods and Their Plasmonic Properties. Langmuir, 31(26),

7418–7426.

54. Jin Z. Z, (2008). Optical Properties of Metal Nanomaterials, Optical properties

and spectroscopy of nanomaterials. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd,

ISBN-13 978-981-283-664-9

55. Jia Z., Liu J., and Shen Y. (2007). Fabrication of a template-synthesized gold

nanorod-modified electrode for the detection of dopamine in the presence of

ascorbic acid. Electrochem Commun, 9(12), 2739–2743.

56. Jordi P., Neus G.B., and Víctor P. (2016). Size-controlled Synthesis of sub-10

nm Citrate-stabilized Gold Nanoparticles and Related Optical Properties.

Chem. Mater, 24.

57. Juan C. F., Victor T., Monica. P., Daniel C., Jose M. C. (2008). Variations-in-

morphologies-of-silver-nanoshells-on-silica-spheres. Colloids and Surfaces A:

Physicochem. Eng. Aspects, 330, 86–90

58. Junyan. X., Limin. Q, (2011). Surfactant-assisted, shape-controlled synthesis of

gold nanocrystals. Nanoscale, 3, 1383

149

59. Kalele, Suchita; Gosavi, S. W.; Urban, J.; Kulkarni, S. K. (2006). Nanoshell

particles: synthesis, properties and applications. Current science, Vol. 91 Issue

8, 1038-1052.

60. Kalele, Suchita; Gosavi, S. W.; Urban, J.; Kulkarni, S. K. (2006). Nanoshell

particles: synthesis, properties and applications. Current science, Vol. 91 Issue

8, 1038-1052.

61. Kah J.C.Y., Phonthammachai N., Wan R.C.Y., et al. (2008). Synthesis of gold

nanoshells based on the depositionprecipitation process. Gold Bull, 41(1), 23–

36.

62. Khlebtsov N.G., Trachuk L.A., and Mel’nikov A.G. (2005). The effect of the

size, shape, and structure of metal nanoparticles on the dependence of their

optical properties on the refractive index of a disperse medium. Opt Spectrosc,

98(1), 77–83.

63. Kretschmann E. (1971). Die Bestimmung optischer Konstanten von Metallen

durch Anregung von Oberflächenplasmaschwingungen. Z Phys, 241, 313–324.

64. Lamer V.K., Dinegar R.H., J Am. (1950) Chem. Soc. 72 (4847-4854)

65. Lee K.-S. and El-Sayed M.A. (2005). Dependence of the Enhanced Optical

Scattering Efficiency Relative to That of Absorption for Gold Metal Nanorods

on Aspect Ratio, Size, End-Cap Shape, and Medium Refractive Index. J Phys

Chem B, 109(43), 20331–20338.

66. Leng W., Pati P., and Vikesland P.J. (2015). Room temperature seed mediated

growth of gold nanoparticles: mechanistic investigations and life cycle

149ssessment. Environ Sci: Nano, 2(5), 440–453.

67. Link, S.; Mohamed, M. B.; El-Sayed, M. A. (1999). Simulation of the Optical

Absorption Spectra of Gold Nanorods as a Function of Their Aspect Ratio and

the Effect of the Medium Dielectric Constant. J. Phys. Chem. B, 103,

3073−3077.

150

68. Lu, G.; Hou, L.; Zhang, T.; Li, W.; Liu, J.; Perriat, P.; Gong, Q. Anisotropic

Plasmonic Sensing of Individual or Coupled Gold Nanorods. J. Phys. Chem.

C, 115, 22877−22885

69. Liang Z., Liu Y., Ng S.S., et al. (2011). The effect of pH value on the formation

of gold nanoshells. J Nanoparticle Res, 13(8), 3301–3311.

70. Mallory G.O., Hajdu J.B., et al. (1990), Electroless plating : fundamentals and

applications, Orlando, Fla. : American Electroplaters and Surface Finishers

Society.

71. M. Caporali, L. Gonsalvi, F. Zanobini, M. Peruzzini. (2011). Synthesis of the

Water-Soluble Bidentate (P,N) Ligand PTN(Me). Inorg. Syntheses, Vol. 35,

92–108.

72. Murphy C.J., Sau T.K., Gole A.M., et al. (2005). Anisotropic Metal

Nanoparticles:  Synthesis, Assembly, and Optical Applications. J Phys Chem B,

109(29), 13857–13870.

73. Mullin J.W.(2001). Crystallization. Elsevier. pp 181-215

74. Murphy P.J., LaGrange M.S. (1998). Raman spectroscopy of gold chloro-

hydroxy speciation in fluids at ambient tempera- ture and pressure: a re-

evaluation of the effects of pH and chloride concentration. Geochim

Cosmochim Acta 62, 3515–3526.

75. Murphy C.J., Thompson L. B., Chernak D.J., Yang J.A., Sivapalan S.T., Huang

J., Alkilany A. M., Sisco P.N. (2011). Gold nanorod crystal growth: From seed

– mediated synthesis to nanoscale sculpting. Current Opinion in Colloid

&Interface Science 16 (128-134).

76. Mohd S., cK Prashant., AK Dinda., AN Maitra., Indu A. (2011). Synthesis and

characterization of gold nanorods and their application for photothermal cell

damage. International Journal of Nanomedicine 6 (1825–1831).

151

77. Nghiem, T. H. L. et al. (2010). Synthesis, capping and binding of colloidal gold

nanoparticles to proteins. Adv. Nat. Sci. Nanosci. Nanotechnol. 1, 025009

78. Nghiem T.H.L., Le T.N., Do T.H., et al. (2013). Preparation and

characterization of silica–gold core–shell nanoparticles. J Nanoparticle Res,

15(11), 2091.

79. Nikoobakht B. and El-Sayed M.A. (2003). Preparation and Growth Mechanism

of Gold Nanorods (NRs) Using Seed-Mediated Growth Method. Chem Mater,

15(10), 1957–1962.

80. Norman Jr. T.J., Grant C.D., Schwartzberg A.M., et al. (2005). Structural

correlations with shifts in the extended plasma resonance of gold nanoparticle

aggregates. Opt Mater, 27(7), 1197–1203.

81. Oldenburg S.J., Averitt R.D., Westcott S.L., et al. (1998). Nanoengineering of

optical resonances. Chem Phys Lett, 288(2–4), 243–247.

82. Oldenburg S.J., Averitt R.D., Westcott S.J., Halas N.J. (1998).

Nanoengineering of optical resonance. Chemical physics letters, 288, 243-247.

83. Otto A. (1968). Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by

the method of frustrated total reflection. Z Für Phys Hadrons Nucl, 216(4),

398–410.

84. Otto A. (1968). Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by

the method of frustrated total reflection. Z Für Phys Hadrons Nucl, 216(4),

398–410.

85. Park K. (2006). Synthesis, Characterization, and Self –Assembly of Size

Tunable Gold Nanorods. Georgia Institute of Technology.

86. Pedro H.C.C., Thenner S.R., Anderson G.M., Jiale W. (2015). Controlled

synthesis: nucleation and growth in solution. Niu Wenxin (et al). Metallic

nanostructures. Springer International Publishing.

152

87. Polte J. (2015). Fundamental growth principles of colloidal metal nanoparticles

– a new perspective. CrystEngComm, 17(36), 6809–6830.

88. Prashant K. J., Kyeong S.L., Ivan H.E., Mostafa A. E. (2006). Calculated

Absorption and Scattering Properties of Gold Nanoparticles of Different Size,

Shape, and Composition:  Applications in Biological Imaging and

Biomedicine. J. Phys. Chem. B, 110 (14), pp 7238–7248.

89. Pham T., Jackson J.B., Halas N.J., et al. (2002). Preparation and

Characterization of Gold Nanoshells Coated with Self-Assembled Monolayers.

Langmuir, 18(12), 4915–4920.

90. Phonthammachai N., Kah J.C.Y., Jun G., et al. (2008). Synthesis of

Contiguous Silica−Gold Core−Shell Structures:  Critical Parameters and

Processes. Langmuir, 24(9), 5109–5112.

91. Rasch M. R., Sokolov K.V., and Korgel B.A. (2009). Limitations on the Optical

Tunability of Small Diameter Gold Nanoshells. Langmuir ACS J Surf Colloids,

25(19), 11777–11785.

92. Rana S., Bajaj A., Mout R., et al. (2012). Monolayer coated gold nanoparticles

for delivery applications. Adv Drug Deliv Rev, 64(2), 200–216.

93. Reather, Heinz. (1988). Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and

on Gratings. Springer Tracts in Modern Physics, Volume 111. ISBN 978-3-

540-17363-2. Springer-Verlag.

94. Ritchie R H. (1957). Plasma losses by fast electrons in thin films. Phys. Rev,

106, 874-81.

95. Richardson H.H., Carlson M.T., Tandler P.J., et al. (2009). Experimental and

Theoretical Studies of Light-to-Heat Conversion and Collective Heating Effects

in Metal Nanoparticle Solutions. Nano Lett, 9(3), 1139–1146.

153

96. Roya A., Samjid H.H., Shahriar S (2008). Synthesis and characterization of gold

nanoshells using poly(diallyldimethyl ammonium chloride). Colloids and

Surfaces A Physicochemical and Engineering Aspects, 329(3), 134-141

97. Rodríguez-Fernández J., Pérez-Juste J., García de Abajo F.J., et al. (2006).

Seeded Growth of Submicron Au Colloids with Quadrupole Plasmon

Resonance Modes. Langmuir, 22(16), 7007–7010.

98. Ritchie R H. (1957). Plasma losses by fast electrons in thin films. Phys. Rev,

106, 874-81.

99. Shi W., Sahoo Y., Swihart M.T., et al. (2005). Gold Nanoshells on Polystyrene

Cores for Control of Surface Plasmon Resonance. Langmuir, 21(4), 1610–

1617.

100. Sharma V., Park K., and Srinivasarao M. (2009). Colloidal dispersion of gold

nanorods: Historical background, optical properties, seed-mediated synthesis,

shape separation and self-assembly. Mater Sci Eng R Rep, 65(1–3), 1–38.

101. Stolik S., Delgado J.A., Pérez A., et al. (2000). Measurement of the penetration

depths of red and near infrared light in human “ex vivo” tissues. J Photochem

Photobiol B, 57(2–3), 90–93.

102. Stefan A.M., (2007). Plasmonics: Fundamentals and Applications. Springer.

ISBN 0-387-33150-6.

103. Sunari.P., Jonh.M., Huai –Yong.Z. (2016). Metal nanoparticle photocatalysts:

emerging processes for green organic synthesis. Catal.Sci.Technol, 6, 320 –

338.

104. Sokolov K., Follen M., Aaron J., et al. (2003). Real-time vital optical imaging

of precancer using anti-epidermal growth factor receptor antibodies conjugated

to gold nanoparticles. Cancer Res, 63(9), 1999–2004

154

105. Sisco P.N. (2010), Gold nanorods: Applications in chemical sensing,

biological imaging and effects on 3-dimensional tissue culture, University of

illinois at Urbaba – champaign

106. Steven D. P., Warren C. W. C. (2009). Synthesis and Surface Modification of

Highly Monodispersed, Spherical Gold Nanoparticles of 50-200 nm.

J.Am.chem.soc, 131, 17042–17043.

107. Takuro.N., Hironobu.T., Shinji.U., Sunao.Y. (2004). Immobilization of Gold

Nanorods on the Glass Substrate by the Electrostatic Interactions for Localized

Plasmon Sensing. Chemistry Letters, 33(4), 454-455

108. Terry B. H., Ling T., Matthew N.H., et al. (2007). Hyperthermic effects of gold

nanorods on tumor cells. Nanomedicine, 2(1): 125-132.

109. Thanh N. T. K., Maclean N., and Mahiddine S. (2014). Mechanisms of

Nucleation and Growth of Nanoparticles in Solution. Chem Rev, 114(15),

7610–7630.

110. Turbadar T. (1959). Complete Absorption of Light by Thin Metal Films. Proc

Phys Soc, 73, 40–44.

111. Turbadar T. (1959). Complete Absorption of Light by Thin Metal Films. Proc

Phys Soc, 73, 40–44.

112. Turkevich J., Stevenson P.C., and Hillier J. (1951). A study of the nucleation

and growth processes in the synthesis of colloidal gold. Discuss Faraday Soc,

11, 55.

113. Uwe.K., Michael.V. (2006). Optical Properties of Metal Clusters. Springer

series in materials science 25.

114. Werner. S., Arthur.F. (1968). Controlled Growth of Monodisperse Silica

Spheres in the Micron Size Range. Journal of colloid and interface science, 26,

62–69

155

115. Weissleder R. (2001), A clearer vision for in vivo imaging. Nat Biotechnol, 19

(4), 316 -7.

116. Wu C., Liang X., and Jiang H. (2005). Metal nanoshells as a contrast agent in

near-infrared diffuse optical tomography. Opt Commun, 253, 214–221.

117. Xiaolong X., Yuanyuan ., Xiangdong X., Shuaidong H., Fei Chen., Guozhang

Zou., and Xing-Jie L. (2013). Seedless Synthesis of High Aspect Ratio Gold

Nanorods with High Yield. J. Name., 00, (1-3).

118. Xue J., Wang C., and Ma Z. (2007). A facile method to prepare a series of

SiO2@Au core/shell structured nanoparticles. Mater Chem Phys, 105(2–3),

419–425.

119. Xia Y.N., Xiong Y.J., Lim B., Skrabalak S.E., Angrew. (2009). Chem.Int. Ed.

48, 60.

120. Yasser A. A, Tariq A. A, Adil A. G. (2015). Thermal Stability and Hot Carrier

Dynamics of Gold Nanoparticles of Different Shapes, Advances in

Nanoparticles, Vol.04 No.04, Article ID:60963,13 pages.

121. Yao C., Zhang L., Wang J., et al. (2016). Gold Nanoparticle Mediated

Phototherapy for Cancer. J Nanomater, 2016, e5497136.

122. Yong K.T., Sahoo Y., Swihart M.T., et al. (2006). Synthesis and plasmonic

properties of silver and gold nanoshells on polystyrene cores of different size

and of gold-silver core-shell nanostructures. Colloids and Surfaces A:

Physicochem. Eng. Aspects, 290, 89–[25].

123. Yu, Chang S.-S., Lee C.-L., et al. (1997). Gold Nanorods:  Electrochemical

Synthesis and Optical Properties. J Phys Chem B, 101(34), 6661–6664.

124. Zhang J., Liu H., Wang Z., et al. (2007). Preparation and optical properties of

silica@Ag–Cu alloy core-shell composite colloids. J Solid State Chem, 180(4),

1291–1297.

156

Phụ lục

1. Tính lƣợng vàng hydroxyde cần đƣa lên 1 ml hạt mầm có kích thƣớc bất kỳ

để hạt cấu trúc lõi/vỏ: silcia/vàng có chiều dày lớp vỏ bất kỳ

Hình 1.8. Cấu trúc nano lõi/vỏ silica/vàng

Giả sử trong một đơn vị thể tích dung dịch silica V (1ml) có số hạt silica là

N. Bán kính mầm là R1, bán kính hạt sau khi bọc với chiều dày lớp vỏ vàng mong

muốn là R2. là thể tích chênh lệch sau khi bọc vàng lên một hạt silica với chiều

dày bằng r = R2 –R1, Ta có

=

(

– ) (1)

Tƣơng ứng với một đơn vị thể tích dung dịch silica V có N hạt, thì tổng thể

tích chênh lệch sẽ là

= . N (2)

Từ thể tích chênh lệch ta suy ra đƣợc thể tích vàng hydroyde tƣơng ứng

với nồng độ mol CM=3.7510-4

(mol/l) theo phƣơng trình (2)

2. Tính lƣợng hạt mầm có kích thƣớc bất kỳ để 10ml vàng hydroxyde đƣa vào

bọc kín các hạt mầm tạo một lớp vỏ có chiều dày bất kỳ.

Xét với 10ml dung dịch vàng hydroxyde thì theo phƣơng trình (2.10) ta có thể

tính đƣợc số mol vàng đƣợc tạo ra Aun tƣơng ứng là: –

(mol) => khối lƣợng của vàng 197*AuAu nm =7.4 10-4

(g). Vậy thể tích vàng

tƣơng ứng đƣợc tạo ra là:

157

(3)

(d =196.3 g/cm-3

là khối lƣợng riêng của vàng)

Với thể tích ΔV’ này sẽ bọc đƣợc số hạt mầm có lớp bọc r = R2 – R1 là:

(4)

Từ số hạt mầm n này ta có thể dễ dàng tính đƣợc thể tích lƣợng mầm V cần

thiết để đƣa vào dung dịch phản ứng :

V =

=

(

3

2 3

1 ) (5)

(Vì nồng độ hạt mầm N = số hạt mầm/ V(dung dịch hạt mầm)

Thay các giá trị mAu; d; r = R2 – R1 vào công thức ( 5) ta có thể tích lƣợng

mầm:

[( 1 )

3

1 ]

(6)