trình bày khái niệm đặc điểm tínhchất phương pháp chế tạo và ứng dụng của vậtliệu nano dạng hạt

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA CƠ KHÍ

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU MỚI

Tiểu luận : Trình bày khái niệm, đặc điểm tính chất, phương pháp chế tạo và ứng dụng của vật

liệu Nano dạng hạt Giáo viên bộ môn: Nguyễn Văn Hào

Thành viên nhóm 1: Vũ Đức Anh (Nhóm trưởng) Đàm Văn Duy

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

I. Giới thiệu chung về Nano 1. Cơng nghệ Nano là gì?

Cơng nghệ nano (nanotechology) là sự điều khiển vật chất ở quy mô gần nguyên tử để tạo ra các cấu trúc, vật liệu và thiết bị mới. Công nghệ này hứa hẹn tiến bộ khoa học trong nhiều lĩnh vực như y học, sản phẩm tiêu dùng, năng lượng, vật liệu và sản xuất. Nói một cách đơn giản, cơng nghệ nano kỹ thuật liên quan đến việc phân tích và chế tạo các cấu trúc phân tử bằng việc đưa về hình dạng, kích thước trên quy mơ nanomet (nm, 1nm = 10<small>-9</small>m).

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Một số hình ảnh về cơng nghệ nano (nanotechology)

Trước đây, hầu hết có rất ít người biết đến cơng nghệ nano là gì, ứng dụng của nó ra sao? Tuy nhiên, sau khi cuộc cách mạng 4.0 bắt đầu diễn ra không lâu, công nghệ nano bắt đầu được tìm thấy, khai thác và phát triển cho đến ngày nay. Ở thời điểm hiện tại, cơng nghệ nano đã có những đóng góp nhất định phục vụ cho nhu cầu đời sống của con người. Cụ thể là hàng tá sản phẩm được chế tạo ra như: thuỷ tinh, gốm sứ, vải,… với đa dạng kích thước và màu sắc khác nhau. Đây được coi là ngành công nghệ hàng đầu về khoa học kỹ thuật trên thế giới và có tiềm năng rất lớn trong tương

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

So sánh kích thước vật liệu Nano

Các loại vật liệu Nano Vật liệu Nano tồn tại ở nhiều dạng khác nhau: rắn, lỏng, khí Tên của vật liệu Nano cịn có thể đặt theo hình dáng vật liệu:

Vật liệu Nano không chiều (đám Nano, hạt Nano) Vật liệu Nano 1 chiều (dây Nano, ống Nano) Vật liệu Nano 2 chiều ( màng mỏng)

Vật liệu mang cấu trúc Nano hay Nanocomposite Cụ thể chúng ta sẽ nghiên cứu về vật liệu Nano dạng hạt. II.Giới thiệu chung về Nano dạng hạt

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

1. Khái niệm chung

Hạt nano là các hạt kích thước từ 1 tới 100 nanomét. Trong công nghệ Nano một hạt được xác định là một đối tượng nhỏ có thuộc tính như một đơn vị toàn bộ. Các hạt được phân loại tiếp theo đường kính. Các hạt siêu mịn cũng giống như các hạt nano và kích thước từ 1 đến 100 nanomét, hạt mịn có kích cỡ từ 100 đến 2.500 nm, và các hạt thơ từ 2.500 tới 10.000 nanomet.

Kính HV điện tử quét qua hình a,b,c là hình ảnh của các hạt nano Silic mesopomatic với đường kính ngồi trung bình (a) 20nm, (b) 45nm, (c) 80nm. Các ảnh lót là mật độ phóng đại to hơn của các hạt

2. Các Nano dạng hạt tiêu biểu 2.1 Silica nanoparticles

a) Hình dáng và thơng số của Silica nanoparticles

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Hình dáng và kích thước của hạt Silica nanopartical qua kính hiển vi điện tử Silica (hoặc silicon dioxide) là một oxide

của silicon có cơng thức hóa học là SiO2. Chúng tồn tại ở cả cấu trúc vơ định hình và kết tinh. Người ta thường tìm thấy silica ở cấu trúc tứ diện ba chiều, trong đó hai nguyên tử oxy của một phân tử SiO2 gắn với một nguyên tử silicon của phân tử SiO2 khác.

Cấu trúc thường được tìm thấy trong silica

Hạt silica có các dạng nano hình cầu chính: dạng rắn (hay dạng đặc), dạng xốp (dạng có các lỗ xốp hoặc mao quản bên trong cấu trúc hạt) và dạng rỗng (có lỗ rỗng lớn bên trong).

Ngược lại với các hạt nano silica rắn, các hạt nano silica như silica cấu trúc xốp (Mesoporous Nano Silica) họ MCM-41 (Mobil Composition of Matter No. 41) và SBA (Santa Barbara) cung cấp nhiều tính năng thuận lợi chẳng hạn như diện tích bề mặt lớn, có nhiều lỗ xốp với kích thước nhỏ, tính chất hóa lý ổn định. Những vật liệu này đã thu hút nhiều sự chú ý trên toàn thế giới do tiềm năng ứng dụng của chúng trong sắc ký, vận chuyển và phân phối thuốc, cảm biến, và vật liệu bán dẫn với cấu trúc nano. Tuy nhiên, không giống như các hạt nano đơn phân tán khác, hầu hết các vật liệu silica cấu trúc xốp là vơ định hình. Do đó, rất khó để kiểm sốt kích thước và điều chỉnh bề mặt cũng như tính chất của vật liệu này. Để sử dụng cấu trúc xốp độc đáo của nó, điều quan trọng kiểm sốt được kích thước và hình dạng vật liệu.

Những đột phá trong tổng hợp gần đây đã giúp tạo ra các hạt nano silica xốp với hình dạng, kích thước và cấu trúc có thể thay đổi được, các hạt này không chỉ giữ lại các ưu điểm của cấu trúc xốp trong vật liệu MCM-41, mà cịn có hình thái, tính chất hóa học ổn định và tốt

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Tỉ trọng 2,6g/cm<small>3</small>

Kiểm sốt chất lượng Mỗi lơ hạt nano silica đã được thử nghiệm Đơn vị xác minh kiểm tra chính Quản lí QC

b) Tính chất của Nano Silica

Diện tích bề mặt: hạt nano silica có diện tích bề mặt lớn. Kích thước hạt: nano silica thường có kích thước 20 – 200 nm, đủ hiệu quả trong việc phân phối thuốc và đủ nhỏ để tránh sự hấp thu bởi hệ thống lưới nội chất. Khả năng thẩm thấu tốt vì kích thước hạt cực nhỏ.

Kích thước lỗ rỗng lớn và có khả năng điều chỉnh được: kích thước lỗ rỗng lớn cho phép mang thuốc. Các lỗ rỗng này có thể thay đổi kích thước trong giới hạn hẹp (2-10 nm).

Khả năng vận chuyển: do nano silica có các lỗ rỗng bên trong nên nó được sử dụng như một chất mang. Các chất mà nano silica có thể mang được là thuốc, ADN, các hormone… Nano silica thích hợp cho việc mang thuốc vì chúng có độ chọn lọc và tính bền vững cao khi kết hợp với thuốc.

Phân hủy sinh học và an toàn của nano silica: Tính phân hủy sinh học của nano silica là quan trọng đối với việc sử dụng trong việc phân phối thuốc, nano silica có trọng lượng phân tử thích hợp có thể được đào thải qua thận.

Tương thích sinh học: nano silica đã được chứng minh là tương thích sinh học với nhiều chất hữu cơ khác nhau.

Dễ biến tính: nhờ vào các dẫn xuất của silane như (3-aminopropyl) trimethoxysilane …mà các hạt nano silica có thể gắn được hầu hết các vật liệu

lên bề mặt một cách dễ dàng

Mơ hình nano Silica cấu trúc rỗng Hạt nano silica để phân phối thuốc

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Các hạt nano silica được sử dụng để cải tiến cho các mục đích cơng nghệ nano được đặc trưng là xốp hoặc không xốp dựa trên các đặc điểm hình thái và ở một mức độ nào đó, chức năng của chúng. Các đặc tính nâng cao giữa các hạt nano silica xốp và không xốp, mặc dù giống hệt nhau về thành phần, là rất đáng kể, với những hậu quả đáng kể đối với việc triển khai và tính tương thích sinh học của chúng.

Do tính tương hợp sinh học của chúng và dễ sản xuất, cho phép thay đổi bề mặt, các hạt nano silica là tính năng đặc biệt nhất để sử dụng thuốc.

Một biến thể xốp, được gọi là hạt nano silica trung tính hoặc MSN, bổ sung thêm các tính năng như thể tích và kích thước lỗ thay đổi, dẫn đến hiệu quả đóng gói cao. Trong trường hợp nhiễm vi khuẩn, SiNPs và các dẫn xuất của chúng có thể là một cơng cụ hữu ích để đưa chất kháng khuẩn đến các vị trí cụ thể, do đó làm giảm tác động của liều lượng thuốc cao và các tác dụng phụ liên quan.

Đã có một số nghiên cứu tích cực về các hạt nano silica trung tính chứa thuốc điều trị ung thư. MSN đã trở nên phổ biến như một phương pháp phân phối thuốc vì tính chất xốp của chúng. Tính chất này giúp chúng có thể giữ được nhiều loại thuốc có độ hịa tan trong nước thấp. Thuốc được đóng gói được bảo vệ khỏi sự phân hủy của enzym bởi chất nền silica.

Nó cũng đã được chứng minh rằng các hạt nano silica trung tính có thể gây ra sự cố nội mơ mạch máu, gây ra stress oxy hóa và làm tăng đáng kể các phản ứng tiền viêm và đông máu.

Những thách thức với các hạt Nano Silica

Sự quan tâm ngày càng tăng đối với SiNPs cho các ứng dụng phân phối thuốc đã dẫn đến yêu cầu sửa đổi từng bước các chế phẩm của chúng để loại bỏ hoặc giảm thiểu các tính năng độc hại đã biết. Nhiều thơng số, bao gồm hình dạng, liều lượng, kích thước, loại tế bào trong giai đoạn nghiên cứu, xử lý, diện tích bề mặt và vật liệu cụ thể, đã được xác định để ảnh hưởng đến độc tính tế bào của hạt nano silica

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Tuy nhiên, tan máu và trường hợp là những vấn đề phổ biến đối với các ứng dụng phân phối thuốc vì chúng hạn chế hiệu quả và gây nguy hiểm cho sự an toàn. Do đó, cần phải sàng lọc khả năng tương thích với chất mang nano thuốc.

Kỹ thuật tổng hợp các hạt Nano Silica

Các phương pháp khác nhau đã được sử dụng để tổng hợp các hạt nano silica, có thể được phân loại thành hai phương pháp chính: từ trên xuống và từ dưới lên. Từ trên xuống được đặc trưng bằng cách giảm kích thước của kích thước ban đầu bằng cách sử dụng các kỹ thuật giảm kích thước đặc biệt (phương pháp vật lý). Cách tiếp cận từ dưới lên (hay gọi là phương pháp hóa học) là phương pháp phổ biến được sử dụng để tổng hợp hạt nano silica do có thể kiểm sốt kích thước hạt, phân bố kích thước và hình thái thơng qua kiểm sốt có hệ thống các thơng số phản ứng. Một số phương pháp được sử dụng rộng rãi để tổng hợp hạt nano silica là quá trình sol-gel trên cơ sở phương pháp Stober, vi nhũ tương đảo...

Phương pháp vật lí và phương pháp hoá học dùng để tổng hợp vật liệu nano Phương pháp Stober

Phương pháp Stober được chính nhà khoa học cùng tên Werner Stober và Arthur Fink công bố vào năm 1968. Phương pháp này nhằm tạo ra các hạt nano silica hình cầu với kích thước từ 50 nm đến 1 µm và có sự phân bố kích thước hạt khá hẹp. Phương pháp này gồm ba chất phản ứng chính: alkoxide kim loại, alcohol, ammonia hydroxide. Cơ chế của phương pháp liên quan đến hai phản ứng chính đó là phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ. Có hai mơ hình chính giải thích qt trình tạo thành hạt SiO <small>2</small> theo phương pháp Stober. Thứ nhất: mơ hình phát triển các monomer, liên quan đến sự tạo mầm và phát triển mầm từ các monomer dẫn đến sự hình thành cấu trúc bên trong của các hạt. Thứ hai, mơ hình này liên quan đến cơ chế kiểm soát sự ngưng tụ

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

của các hạt phụ (các hạt ban đầu này có kích thước vài nano). Cơ chế tạo thành hạt của hai mơ hình này được thể hiện trong hình:

Sơ đồ tạo thành hạt bởi phản ứng thủy phân TEOS trong môi trường nước - ammonia – alcohol

Cơ chế hình thành nano Silica theo phương pháp sol-gel Sử dụng tiền chất TEOS (Tetraethyl orthosilicate) để tổng hợp nên hạt nanosilica với xúc tác của NH3.

Tetraethyl orthosilicate

Sự phát triển của phương pháp sol-gel để tổng hợp silica trong lĩnh vực vật liệu mới được bắt đầu với việc hòa tan các silica alkoxide Si(OR)n trong

alcol hoặc các dung mơi hữu cơ có khối lượng phân tử thấp, với R là nhóm ankyl (-CxH2x+1).

So với hóa học chất keo, hướng alkoxide có thể có nhiều thuận lợi hơn do dễ dàng điều khiển bằng cách kiểm soát sự thủy phân và phản ứng ngưng tụ

TEOS rất dễ bị thủy phân theo phản ứng:

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Si(OC H<small>25</small>)<small>4 </small>+ 4H<small>2</small>O Si(OH)<small>4 </small>+ 4C<small>2</small>H<small>5</small>OH (I) Phản ứng (I) diễn ra như sau:

Trong phân tử H2O, nguyên tử Oxy còn dư 2 cặp electron chưa liên kết, nên rất dễ tham gia phản ứng cộng với Si dương điện để tạo ra trạng thái chuyển tiếp.

Trạng thái chuyển tiếp của TEOS

Ở trạng thái chuyển tiếp, nguyên tử Si hút cặp electron về phía mình, làm tăng tính phân cực của liên kết –O-H. Nguyên tử H còn lại trở nên linh động hơn và di chuyển sang C2H5O- làm cho liên kết Si-OC2H5 bị yếu đi và cuối cùng C2H5OH bị tách khỏi phân tử gốc

Quá trình hình thành liên kết –Si-OH

Quá trình thủy phân sẽ tuân theo quy tắc cộng ái nhân (Addition nucleophilic) để hình thành trạng thái chuyển tiếp, và tuân theo quy tắc thế ái nhân (Nucleophilic Substitution). Quá trình tạo liên kết Si-OH sẽ diễn ra trong suốt quá trình thủy phân, và đó là tiền đề cho bước ngưng tụ tiếp theo. Các quá trình tạo ra [(OC2H5)3-Si(OH)] hay [(OC2H5)2-Si(OH)2] đều được xem như là kết quả của quá trình thủy phân một phần. Và sau đó là q trình ngưng tụ xảy ra, nhằm liên kết các mạng lưới [kim loại – oxide – kim loại] lại với nhau trong dung dịch.

Quá trình ngưng tụ sẽ diễn ra theo hai hướng: - Ngưng tụ nước: -Si-OH + -Si-OH

- Ngưng tụ alcol: -Si-OH + -Si-OR

Biểu diễn quá trình ngưng tụ nước và alcol để hình thành nanosilica.

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Quá trình trùng ngưng nước

Quá trình trùng ngưng alcol

Với nhiều điều kiện, sự ngưng tụ có thể bắt đầu trước khi sự thủy phân hoàn tất. Điều kiện như pH, tỉ lệ mol H2O/Si và chất xúc tác có thể làm cho sự thủy phân kết thúc trước khi sự ngưng tụ bắt đầu. Do alkoxide và nước không tan vào nhau, một dung môi trung gian là ancol được dùng như một tác nhân đồng hóa để phản ứng thủy phân xảy ra.

Phản ứng ngưng tụ xảy ra sau khi sự polymer hóa vơ cơ để tạo ra các hạt SiO2, quá trình này phụ thuộc nhiều vào pH. Vì vậy, điều kiện acid dẫn đến hình thành nhiều lỗ xốp (kích thước lỗ < 2 nm) và điều kiện base sẽ hình thành gel có nhiều lỗ xốp (2 nm < kích thước lỗ < 50 nm).

Triển vọng tương lai cho các hạt nano silica

Tương lai của các hạt nano silica rất tươi sáng. Đã thu hút các nhà nghiên cứu như một vật mang nano đầy hứa hẹn để phát hiện khối u và điều trị ung thư dựa trên nano trong số một số cấu trúc nano được tạo ra.

Các ứng dụng của hạt nano silica cũng đóng một chức năng thiết yếu trong việc cải thiện khả năng nảy mầm của hạt ở cây trồng. Hạt nano silica là chất dinh dưỡng thiết yếu cho thực vật 'gần như thiết yếu', điều chỉnh các chức năng sinh lý khác nhau như thụ tinh, phát triển mầm, quang hợp và khả năng chịu hạn. Do đó, việc đánh giá tác động của các hạt nano silica đối với các quá trình sinh lý khác nhau là rất quan trọng.

2.2 Gold Nanoparticles

a) Hình dáng và thông số của Gold Nanoparticles

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Hình dáng của gold nanoparticle qua kính hiển vi điện tử

Vật liệu nano nói chung và vàng nano (AuNPs) nói riêng đang nhận được sự quan tâm cua các nhà khoa học bởi những tính chất quan trọng, đặc biệt là hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt và những ứng dụng rộng rãi của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xúc tác, điện hoá, khả năng chống oxi hoá, phát hiện và điều trị ung thư. Các hạt AuNPs với kích thước từ 1nm đến lớn hơn 100nm có tính chất quang, điện độc đáo, khác hẳn với vật liệu vàng dạng khối (bulk material). Trong đó sự khác nhau đáng chú ý giữa nano vàng dạng hạt với vàng dạng khối là sự thay đổi màu sắc của chúng, cụ thể là sẽ chuyển từ màu vàng sang màu đỏ tía, màu tím hoặc màu xanh phụ thuộc vào kích thước của các hạt AuNPs.

Màu sắc của các keo vàng nano theo kích thước hạt

Các hạt nano vàng (AuNPs) đã được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sinh học dựa trên các đặc tính độc đáo và nhiều chức năng bề mặt của chúng. Sự dễ dàng của chức

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

năng hóa AuNP cung cấp một nền tảng linh hoạt cho các tổ hợp vi sinh nano với các oligonucleotide, kháng thể, và protein. Liên hợp sinh học của AuNP cũng đã trở thành những ứng cử viên đầy hứa hẹn trong việc thiết kế các vật liệu sinh học mới để nghiên cứu các hệ thống sinh học.

Các ứng dụng của AuNPs trong lĩnh vực sinh học

b) Tổng hợp Gold Nanoparticles

Một loạt các phương pháp tiếp cận dựa trên giải pháp đã được phát triển trong vài thập kỷ qua để kiểm sốt kích thước, hình dạng và chức năng bề mặt. Turkevich và cộng sự đã phát triển một phương pháp tổng hợp để tạo AuNPs vào năm 1951 bằng cách xử lý hydro tetracloroaurat (HAuCl ) với axit xitric trong nước sơi, trong đó xitrat đóng <small>4</small> vai trò là chất khử và ổn định. Frens đã cải tiến thêm phương pháp này bằng cách thay đổi tỷ lệ vàng trên xitrat để kiểm sốt kích thước hạt. Quy trình này đã được sử dụng rộng rãi để chuẩn bị các dung dịch loãng của AuNP hình cầu ổn định vừa phải có đường kính từ 10 đến 20 nm, mặc dù cũng có thể điều chế các AuNP lớn hơn (ví dụ 100 nm). Các AuNP được ổn định bằng citrate này có thể trải qua q trình tập hợp khơng thể đảo ngược trong q trình chức năng hóa với các phối tử thiolate. Một số chiến lược đã được phát triển để khắc phục vấn đề này bao gồm sử dụng chất hoạt

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

động bề mặt, Tween 20, trước khi sửa đổi để ngăn chặn sự kết tụ hoặc sử dụng axit thioctic làm chất trung gian thơng qua chức năng hóa hai bước. Tuy nhiên, yêu cầu về độ pha loãng cao làm cho việc sản xuất quy mô lớn trở nên khó khăn.

(A)Tổng hợp hai giai đoạn AuNP bằng cách khử HAuCl với sự có mặt của ankanđiol làm phối <small>4</small> tử bền và NaBH làm chất khử. Sau đó, phản ứng trao đổi vị trí cho AuNP được bảo vệ bằng <small>4</small> alkanethiol có thể được thực hiện với các thiols đã được chức năng hóa.

(B)Các AuNP bền với citrat được điều chế bằng dung dịch HAuCl trong điều kiện hồi lưu trong<small>4</small> đó citrat đóng vai trị vừa là phối tử ổn định vừa là chất khử. Sự trao đổi phối tử của các thiols đã được chức năng hóa cho AuNP được ổn định bằng xitrat đã đạt được bằng cách sử dụng Tween 20 làm chất trung gian.

Brust và Schriffin đã đạt được một bước đột phá trong quá trình tổng hợp AuNP vào năm 1994 bằng cách tạo ra AuNP ổn định bằng alkanethiol hòa tan hữu cơ thơng qua quy trình khử hai pha sử dụng tetraoctylammonium bromide (TOAB) làm thuốc thử

tạo ra AuNPs có độ phân tán thấp từ 1,5 đến 5 nm bằng cách thay đổi các điều kiện phản ứng như tỷ lệ vàng-thiol, tốc độ khử và nhiệt độ phản ứng. Các AuNP được bảo vệ bằng alkanethiol này có độ ổn định cao hơn khi so sánh với hầu hết các AuNP khác do tác dụng hiệp đồng của các tương tác mạnh thiol-vàng và lực hút van der Waals giữa các phối tử lân cận. Các hạt nano này có thể được làm khơ hồn tồn và phân bổ lại trong dung dịch mà không có bất kỳ sự kết tụ nào, làm cho chúng trở thành tiền chất tuyệt vời để tiếp tục chức năng hóa

c) Tính chất của Gold Nanoparticles

Tính chất cộng hưởng Plasmon bề mặt

Một trong những tính chất quan trọng của AuNPs là hiệu ứng Plasmo bề mặt (surface plasmon resonance: SPR) . Chính nhờ tính chất này mà AuNPs được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong chuẩn đoán và điều trị ung thư.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

Hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt

Hiện tượng “Cộng hưởng plasmon bề mặt” (SPR) được giải thích là: Điện trường của sóng điện từ tác động lên các electron tự do trên bề mặt hạt nano, làm các electron bị dồn về 1 phía, gây ra sự phân cực. Sau đó dưới tác dụng của lực phục hồi Coulumbic, các electron sẽ trở lại vị trí ban đầu. Vì có bản chất sóng nên điện trường dao động làm cho sự phân cực này dao động theo. Sự dao động này được gọi là “Plasmon”. Khi tần số dao động của đám mất electron trùng với tần số của một bức xạ điện từ nào đó, sẽ gây ra sự dao động hàng loạt của các electron tự do. Hiện tượng này gọi là “Cộng hưởng Plasmon bề mặt”(SPR). Như vậy hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt là sự kích thích các electron tự do trong vùng bán dẫn, dẫn tới sự hình thành các dao động đồng pha. Khi kích thước của một tinh thể nano kim loại nhỏ hơn bước sóng của bức xạ tới, khi tần số Photon tới cộng hưởng với tần số dao động của electron tự do ở bề mặt sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng Plasmon ở bề mặt. Điều này dẫn tới sự thay đổi lớn về màu sắc của các AuNPs. Số lượng và vị trí của dải plasmon phụ thuộc chủ yếu vào kích thước và hình thái của hạt AuNPs. Vì vậy peak cộng hưởng có thể xuất hiện trong vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại gần. Ngoài ra hằng số điện môi của vật liệu cấu trúc nano, chỉ số khúc xạ của môi trường xung quanh, trạng thái của bề mặt (dung môi, chất ổn định) hay khoảng cách giữa các hạt cũng ảnh hưởng đến vị trí và hình dạng của cộng hưởng Plasmmon bề mặt.

Sự phụ thuộc tính chất SPR vào hình thái và kích thước của vật liệu Nano vàng dạng cầu (Gold

Nanoparticles: GNP)

Tính chất quang của vàng nano dạng cầu có thể được tính tốn theo thuyết của Mie. Lần đầu tiên Mie giải thích sự thay đổi màu sắc của hệ keo vàng nano dạng cầu bằng cách giải phương trình Maxwell. Bằng cách này,

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

ông đã mô tả tính chất quang học (tán xạ và hấp thụ) của vàng nano dạng cầu ở bất kỳ kích thước nào.

Hiện tượng SPR của nano vàng dạng cầu

Theo đó, đối với vàng nano dạng cầu, SPR xảy ra ở vùng khả kiến tại bước sóng khoảng 520-540 nm. Nếu kích thước (d) của hạt tăng lên thì cực đại hấp thụ ứng với SPR sẽ dịch chuyển về vùng có bước sóng dài, tức là vùng ánh sáng đỏ (red-shift). Tuy nhiên, khi hạt cầu lớn đến một kích thước nào đó, sẽ trở thành dạng khối (bulk) và hiện tượng SPR sẽ biến mất.

Nano vàng dạng thanh (Gold nanorods: GNR)

Đối với vàng nano dạng thanh, tính chất quang học có thể được hiểu rõ dựa vào thuyết Gans. Theo đó, trên phổ UV-Vis xuất hiện 2 peak hấp thụ cực đại: Một cực đại hấp thụ tương ứng với cộng hưởng plasmon bề mặt dọc theo trục ngang (transverse surface plasmon resonane: TSPR) và một dao động theo trục dọc (longitudinal surface plasmon resonance: LSPR) của hạt. Trong đó, dao động TSPR có cực đại nằm trong vùng khả kiến (khoảng 520-540 nm), còn dao động LSPR có cường độ mạnh hơn rất nhiều so với dao động TSPR và có cực đại nằm trong vùng có bước sóng lớn hơn, từ vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại gần phụ thuộc vào tỷ số cạnh (tỷ số giữa trục dọc/trục ngang hay tỷ số dài/ngang) của vật liệu. Khi tỷ số cạnh tăng, LSPR dịch chuyển về vùng hồng ngoại gần (NIR), trong khi TSPR gần như không thay đổi. Ngồi ra, bước sóng hấp thụ cực đại của dao động LSPR còn phụ thuộc nhiều vào chỉ số khúc xạ của mơi trường xung quanh nó. Khi chỉ số khúc xạ tăng, thì SPR có xu hướng chuyển sang vùng sáng màu đỏ và sự dịch chuyển SPR gần như tuyến tính với chỉ số khúc xạ. Đây là một tính chất quan trọng được áp dụng trong các ứng dụng về cảm biến plasmon.

Cũng theo thuyết Gans, cực đại hấp thụ của dao động LSPR tỷ lệ tuyến tính với tỷ số cạnh (tỷ số dài/ngang, aspect ratio: AR) theo phương trình sau:

LSPR (nm) = 95AR + 420

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Hiện tượng SPR xảy ra theo trục dọc và trục ngang của GNR (a); phổ UV-Vis tương ứng của GNR (b) Tóm lại, hình dạng và kích thước của hạt vàng nano ảnh hưởng đáng kể đến hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt của chúng, cụ thể là: hạt dạng cầu chỉ có một cực đại hấp thụ với bước sóng max 520 nm và khi tăng kích thước (d) thì max cũng tăng theo. Trong khi đó, vàng nano dạng thanh có 2 cực đại hấp thụ: 1 cực đại hấp thụ có bước sóng max 520 nm và 1 cực đại hấp thụ có bước sóng nằm trong vùng khả kiến đến hồng ngoại gần tùy thuộc vào tỷ số AR, cụ thể là AR tăng thì cực đại hấp thụ càng dịch chuyển về vùng hồng ngoại.

Sự phụ thuộc của hiện tượng SPR vào hình dạng và kích thước của hạt vàng nano

Sự Tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS)

AuNPs cũng được sử dụng để điều chế các hạt nano tán xạ Raman (SERS) tăng cường bề mặt cho hình ảnh Raman của động vật nhỏ. Sử dụng AuNPs với lớp phủ silica và lớp phân tử hoạt động Raman, Gambhir et al đã chứng minh khả năng phân tách các dấu vân tay phổ của 10 loại hạt nano SERS khác nhau trên một con chuột

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

sống và khả năng tạo màu của 5 hạt nano SERS khác nhau trong các mô sâu sau khi tiêm tĩnh mạch

Đánh giá 10 hạt nano SERS ghép kênh khác nhau. Bản đồ Raman của 10 hạt SERS khác nhau được tiêm vào một con chuột khỏa thân

Dập tắt huỳnh quang

Khả năng dập tắt tuyệt vời của AuNPs đối với các fluorophores gần thơng qua con đường khử hoạt tính dựa trên sự chồng chéo tốt giữa phổ phát xạ của các fluorophores bị kích thích và dải plasmon bề mặt của AuNPs. Hiện tượng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET) này được quan sát thấy ngay cả khi có mặt AuNPs 1 nm do tốc độ phân rã bức xạ và không phát xạ của các phân tử huỳnh quang đều bị ảnh hưởng rõ rệt bởi các hạt nano. AuNP cũng có thể hoạt động như chất nhận electron để dập tắt các fluorophores trong quá trình chuyển electron quang cảm ứng (PET). Quá trình PET này được điều chế bằng cách sạc / xả lõi vàng có thể được sử dụng trong chế tạo cảm biến.

d) Tổng hợp nano vàng dạng cầu (GNP)

Kể từ khi lần đầu tiên Faraday nghiên cứu sự tạo thành keo vàng bằng cách khử AuCl4 - bằng phospho năm 1857, đã có nhiều phương pháp tổng hợp keo vàng nano được cơng bố. Nói chung, phương pháp tổng hợp vàng nano có thể được chia thành ba nhóm chính: nhóm phương pháp hóa học, nhóm phương pháp bức xạ và nhóm

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

phương pháp khử sinh học. Phương pháp bức xạ sử dụng các bức xạ tử ngoại, khả kiến, vi sóng, bức xạ gama, ... để khử AuCl4 - về Au0 trong sự có mặt của chất ổn định thích hợp. Phương pháp này cho hiệu suất tổng hợp cao nhưng yêu cầu phải có thiết bị tương ứng. Nguyên tắc chung của phương pháp khử hóa học là sử dụng một chất khử nào đó để khử Au3+ trong muối vàng thành nguyên tử Au0 , để tránh sự kết dính các hạt lại với nhau, chất bảo vệ được sử dụng. Trong nhóm phương pháp này, trước hết phải kể đến phương pháp Turkevich. Phương pháp này được phát minh bởi Turkevich và các cộng sự vào năm 1951, sau đó được cải tiến bởi Frens vào năm 1970, và là một phương pháp tổng hợp vàng nano đơn giản nhất cho đến thời điểm hiện tại. Nhìn chung, phương pháp này tạo ra các hạt vàng nano đơn phân tán dạng cầu tan trong nước với kích thước từ 10- 20 nm và độ bền cao. Các hạt lớn hơn cũng có thể được tạo ra bằng phương pháp này nhưng sẽ mất nhiều quy trình cơng nghệ hơn trong việc duy trì tính phân tán cũng như hình dạng hạt. Quy trình tạo hạt vàng nano liên quan đến phản ứng giữa một lượng dung dịch nóng chloauric với dung dịch natri citrate. Ở đây, natri citrate vừa đóng vai trị làm chất khử vừa là tác nhân làm bền.

Phương pháp khử hóa học tiếp theo đó là phương pháp Brust. Phương pháp này được phát hiện bởi Brust và Schiffrin vào đầu những năm 1990. Các hạt vàng nano chế tạo theo phương pháp này có kích thước trung bình khoảng 5-6 nm. NaBH4 đóng vai trị là tác nhân khử, trong khi tetraoctylammonium bromide (TOAB) đóng vai trị là chất xúc tác chuyển pha và chất làm bền. Tuy nhiên, TOAB không bọc xung quanh hạt nano một cách vững chắc, do đó dung dịch sẽ bị kết tủa sau khoảng thời gian 2 tuần. Để hạn chế hiện tượng này, một tác nhân làm bền mạnh được sử dụng như thiol (alkanethiol), có thể liên kết cộng hóa trị với hạt vàng nano. Năm 2009, Perault và Chan đã phát minh ra phương pháp mới để tổng hợp vàng nano (phương pháp Perault), sử dụng hydroquione để khử HAuCl4 trong dung dịch có chứa sẵn các hạt vàng nano. Trong phương pháp này, các hạt vàng nano có thể đóng vai trị là chất cầu nối với hydroquinone để xúc tác việc khử các ion vàng trên bề mặt. Sự tồn tại các chất ổn định như các ion citrate có thể tạo ra việc mọc các hạt có kiểm sốt. Phương pháp này có thể tạo ra các hạt nano với kích thước rất lớn, khoảng 30-250 nm.

Một phương pháp khử hóa học khác được nhóm tác giả Eah phát minh vào năm 2010, gọi là phương pháp Martin. Phương pháp này tạo ra các hạt vàng nano trong nước bằng việc khử HAuCl4 bởi NaBH4. Mặc dù không sử dụng các chất hoạt động bề mặt như citrate, nhưng các hạt vàng nano có sự phân tán cao.

Nhìn chung, các phương pháp khử hóa học tạo ra sản phẩm có độ phân tán cao. Tuy nhiên, nhược điểm của chúng là sử dụng các tác nhân khử như natri citrate, NaBH4, … là những hóa chất độc hại, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. Để khắc phục vấn đề này, các nhà khoa học đã nghiên cứu sử dụng “phương pháp xanh” (green method) để tổng hợp vật liệu vàng nano. Trong phương pháp này, tác nhân được sử dụng (dung môi, chất khử và chất bảo vệ) là các hóa chất khơng độc hại, thường là các polymer có tính tương hợp sinh học. Raveendran và cộng sự lần đầu tiên sử dụng phương pháp xanh để tổng hợp vàng nano với dung môi là nước, chất khử là -D-glucose và chất ổn định là tinh bột. Sau đó, nhóm tác giả này đã sử dụng -D--D-glucose vừa làm chất khử và chất ổn định để tổng hợp vàng nano. Bên cạnh glucose và tinh

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

bột, chitosan là một polysaccharide được sử dụng nhiều cho mục đích này bởi hai lý do sau: Thứ nhất, chitosan là dẫn xuất của chitin – polysaccharide có mặt rộng rãi trong tự nhiên. Thứ hai là, sự có mặt của một lượng lớn các nhóm amino (-NH2) và nhóm hydroxyl (-OH) tự do trong mạch chitosan đã làm cho nó có những đặc tính hóa lý đặc biệt như polycation, tạo phức và tạo màng. Theo Huang và cộng sự, chitosan được sử dụng nhiều để làm chất khử và chất ổn định trong tổng hợp vàng nano bởi có cấu trúc giàu oxy trong nhóm hydroxyl và ete. Hơn nữa, chitosan là một polymer có tính tương hợp sinh học, phân hủy sinh học, do đó ngày càng có nhiều cơng trình sử dụng chitosan để tổng hợp vàng nano.

Wei và cộng sự đã sử dụng chitosan làm làm chất khử và chất ổn định để tổng hợp nano bạc và vàng. Sản phẩm thu được có màu đỏ tía và có cực đại hấp thụ tại bước sóng 520 nm. Ảnh TEM hình b) cho thấy, có xuất hiện các hạt dạng cầu nhưng phân bố kém đồng đều.

Phổ UV-Vis (a) và ảnh TEM (b) của vàng nano sử dụng chitosan làm chất khử và chất ổn định

Cùng thời gian đó, Sun và cộng sự cũng đã tổng hợp thành công vàng nano dạng cầu chỉ sử dụng chitosan vừa làm chất khử vừa làm chất ổn định. Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt cho thấy, các hạt vàng nano dạng cầu đã được hình thành với kích thước trung bình 27,58 nm nhưng kém đồng đều, thể hiện ở giá trị sai số chuẩn (SD) lớn (SD = 12,27).

Ảnh TEM (a) và phân bố kích thước hạt (b) của vàng nano sử dụng chitosan làm chất khử và chất ổn định

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

Gần đây nhất, năm 2013, Siemieniec đã sử dụng phương pháp xanh để tổng hợp vàng nano và bạc, dùng dịch chiết cây xanh để khử HAuCl4 và AgNO3.

Như vậy, việc tổng hợp vàng nano sử dụng chitosan có ưu điểm không gây ảnh hưởng tới môi trường. Tuy nhiên, chitosan có nhược điểm là chỉ tan được trong axit mà khơng tan trong nước hay mơi trường trung tính. Điều này làm hạn chế phần nào khả năng ứng dụng của vàng nano được tổng hợp từ chúng. Trong tiểu luận này, chúng tôi nghiên cứu điều chế chitosan tan trong nước từ chitosan và lần đầu tiên sử dụng chúng để làm chất khử đồng thời làm chất ổn định để tổng hợp vàng nano dạng cầu (GNP).

e) Ứng dụng trong công nghệ sinh học Cảm biến

AuNPs được kết hợp dễ dàng với các chất nhận biết như kháng thể hoặc

oligonucleotide để phát hiện các phân tử sinh học đích, cho phép các ứng dụng chẩn đoán và phát hiện trong ống nghiệm cho các bệnh như ung thư.

Ví dụ: AuNPs đóng một vai trị quan trọng trong “xét nghiệm mã vạch sinh học”, một phương pháp siêu nhạy để phát hiện protein mục tiêu và axit nucleic. Nguyên tắc của “xét nghiệm mã vạch sinh học” sử dụng AuNP được kết hợp với cả oligonucleotide mã vạch và các kháng thể đặc hiệu với mục tiêu, và các vi hạt từ tính (MMP) có chức năng với các kháng thể đơn dòng cho gốc mục tiêu. Các phức hợp này tạo ra một phức hợp bánh sandwich khi phát hiện phân tử mục tiêu giải phóng một lượng lớn các oligonucleotide mã vạch, cung cấp cả nhận dạng và định lượng mục tiêu.

“Mirkin et al” đã chứng minh việc phát hiện kháng nguyên đặc hiệu của tuyến tiền liệt (PSA) bằng phương pháp này với giới hạn phát hiện là 330 fg / mL.

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

Chiến lược phát hiện mã vạch sinh học dựa trên AuNP.

AuNP được liên hợp với aptamer kết hợp tính chọn lọc và ái lực của aptamer với các đặc tính quang phổ của AuNP được sử dụng để phát hiện phân tử nhỏ và tế bào ung thư. Zeng và cộng sự đã chứng minh một hệ thống cảm biến sinh học dải hạt nano aptamer (ANSB) để phát hiện các tế bào Ramos (ung thư hạch). Trong điều kiện tối ưu, ANSB cho thấy giới hạn phát hiện là 4000 tế bào Ramos bằng cách sử dụng phát hiện trực quan và 800 tế bào Ramos với một đầu đọc dải di động.

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

(A) Sơ đồ minh họa phát hiện tế bào Ramos trên ANSB. Tế bào Ramos được bắt trên vùng thử nghiệm thông qua tương tác aptamer-tế bào cụ thể, trong khi các AuNP liên hợp với aptamer dư thừa được bắt trên vùng kiểm sốt thơng qua lai aptamer-DNA. (B) Hình ảnh ảnh điển hình (trên cùng) và phản hồi tương ứng (dưới) của ANSB với các mẫu chứa số lượng khác nhau của tế bào Ramos (tế bào trong vùng điều khiển là do AuNP liên hợp aptamer dư thừa.

Một phương pháp luận “mũi hóa học” mới sử dụng các liên hợp khơng cộng hóa trị của AuNP và fluorophore đã được giới thiệu bởi Rotello và các đồng nghiệp để cung cấp khả năng cảm nhận các mục tiêu phân tử sinh học có độ nhạy cao. Liên hợp AuNP-fluorophore cung cấp một phương pháp phát hiện sinh học thay thế để “khóa và khóa” các phương pháp tiếp cận dựa trên nhận dạng cụ thể, sử dụng một loạt các thụ thể chọn lọc để tạo ra một mẫu có thể nhận ra chất phân tích. Hệ thống cảm biến

-phenyleneethynylen)) trong đó PPE hoạt động như một phần tử truyền huỳnh quang có thể được dập tắt bởi AuNPs cation. Sự liên kết cạnh tranh của chất phân tích có thể phá vỡ PPE khỏi phức hợp, dẫn đến huỳnh quang thu hồi từ PPE và cũng tạo ra một tín hiệu có thể đọc được. Phương pháp này có thể phân biệt 12 loài / chủng vi khuẩn

biệt các tế bào bình thường, ung thư và di căn trong một xét nghiệm nhanh chóng và chính xác. Ngồi ra, GFP (protein huỳnh quang màu xanh lá cây) đã thay thế đầu dò polyme để cung cấp độ nhạy cao hơn (5000 tế bào so với 20.000 trước đó) trong cảm biến tế bào ung thư của động vật có vú

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

(A) Cấu trúc phân tử của các AuNP dạng cation và polyme huỳnh quang (PPECO ). <small>2</small> (B) Sự dịch chuyển PPECO đã được dập tắt bởi tế bào với sự phục hồi đồng thời của <small>2</small> huỳnh quang.

(C) Sự thay đổi huỳnh quang đối với 4 dòng tế bào ung thư khác nhau bằng cách sử dụng cộng hợp AuNP-PPECO . <small>2</small>

(D) Biểu đồ điểm chuẩn cho hai yếu tố của mẫu phản ứng huỳnh quang đơn giản thu được với các mảng liên hợp AuNP-PPECO chống lại các loại tế bào động vật có vú khác nhau. Điểm <small>2</small> chuẩn được tính bằng LDA (phân tích phân biệt tuyến tính). Để xác định 4 dịng tế bào. Gần đây, chiến lược cảm biến dựa trên mảng đã được điều chỉnh cho phù hợp với cách tiếp cận cảm biến mảng khuếch đại enzym (EAAS), trong đó độ nhạy được khuếch đại thông qua xúc tác enzym. Hệ thống hoạt động bằng cách để protein của chất phân tích liên kết cạnh tranh với AuNP, giải phóng β-galactosidase (β-Gal) và khơi phục hoạt động của nó. Sự phân cắt của chất nền cung cấp khả năng đọc huỳnh quang khuếch đại enzym về sự kiện liên kết, cho phép xác định các protein ngay cả trong nước tiểu người đã được khử muối. Một cách tiếp cận tương tự đã được sử dụng để xây dựng hệ thống liên hợp enzyme-hạt nano so màu bằng cách sử dụng chlorophenol red β-D-galactopyranoside (CPRG), một chất nền tạo màu, để phát hiện

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

Trị liệu

Việc vận chuyển các tác nhân điều trị đến tế bào bằng AuNPs là một quá trình quan trọng trong điều trị y sinh. Một số nhóm nghiên cứu đã sử dụng các AuNP đã được chức năng hóa để điều tra các tương tác với màng tế bào nhằm cải thiện hiệu quả phân phối.

Ví dụ: Stellacci et al đã chứng minh rằng sự sắp xếp phối tử bề mặt trên AuNPs có . thể điều chỉnh sự xâm nhập của màng tế bào. AuNP được chức năng hóa với sự sắp xếp có trật tự của các phân tử amphiphilic có thể xuyên qua màng tế bào trong khi các AuNP được bao phủ bởi sự sắp xếp ngẫu nhiên của các phân tử giống nhau này bị mắc kẹt trong các thể mụn nước.

Liệu pháp điều trị AuNP có thể được đưa vào tế bào thông qua cơ chế nhắm mục tiêu thụ động hoặc chủ động. Nhắm mục tiêu thụ động dựa trên tác dụng tăng cường tính thấm và lưu giữ (EPR) nơi các AuNP sẽ tích tụ trong khối u thông qua hệ thống mạch không đều của nó, cho phép các phần tử lớn hơn đi qua nội mô. Nhắm mục tiêu chủ động dựa trên phối tử chức năng bề mặt được thiết kế rõ ràng cho chất phân tích mục tiêu để cung cấp tính đặc hiệu và tính chọn lọc. Các chiến lược nhắm mục tiêu và phân phối hiệu quả bằng cách sử dụng AuNPs đã được phát triển cho các ứng dụng điều trị bao gồm liệu pháp quang nhiệt, điều hòa di truyền và điều trị bằng thuốc.

Trong một lĩnh vực, các AuNP đã được khai thác như một giá đỡ hấp dẫn để tạo ra các tác nhân chuyển nạp trong liệu pháp gen để chữa bệnh ung thư và các rối loạn di truyền. Mirkin và cộng sự đã báo cáo việc sử dụng phức hợp AuNP-oligonucleotide làm tác nhân điều hịa gen nội bào để kiểm sốt sự biểu hiện protein trong tế bào. Liên hợp RNA-AuNP được sử dụng để đánh bại sự biểu hiện luciferase cho thấy các cộng hợp có chu kỳ bán rã dài hơn sáu lần so với dsRNA tự do và thể hiện khả năng loại bỏ gen cao trong các mơ hình tế bào. Rotello và cộng sự cũng đã chứng minh rằng các AuNP cation, có các chuỗi bên dựa trên axit amin cation, có thể được sử dụng để chuyển nạp DNA. AuNPs phủ mơ-típ dựa trên lysine cung cấp các vectơ chuyển nạp không độc hại hiệu quả để phân phối DNA, hiệu quả gấp 28 lần so với polylysine.

(A) Điều chế liên hợp ARN-AuNP đa hóa trị.

(B) Knockdown của biểu hiện luciferase trong 4 ngày. (C) Tính ổn định của liên hợp RNA-AuNP, cho thấy sự so sánh về độ ổn định của liên hợp dsRNA (màu đỏ) và RNA-AuNP (màu xanh lam) trong 10% huyết thanh.

</div>