Luận văn công nghệ sinh học chế tạo vật liệu nano vàng chitosan định hướng ứng dụng trong dược phẩm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG



BÁO CÁO
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC



ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO
VÀNG – CHITOSAN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG
DỤNG TRONG DƯỢC PHẨM




HUỲNH THỊ CẨM QUYÊN






Bieân Hoøa – 11/2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC – MÔI TRƯỜNG

  


BÁO CÁO
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC



ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO
VÀNG – CHITOSAN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG
DỤNG TRONG DƯỢC PHẨM



SVTH: HUỲNH THỊ CẨM QUYÊN
CVKH: PGS. TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG PHONG






Bieân Hoøa – 11/2012
i
LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên con xin được gửi đến Ba, Mẹ là người đã nuôi dạy con trong
suốt thời gian qua. Em xin cám ơn các Anh đã ủng hộ và giúp Em trong những ngày
tháng gia đình còn gặp nhiều vất vả.

Con xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến Cô PGS. TS Nguyễn Thị Phương Phong
bộ môn Hoá Lý – Khoa Hoá – ĐH Khoa Học Tự Nhiên, người thầy đã tận tình
hướng dẫn và tạo mọi điều kiện để em có thể vượt qua khó khăn trong suốt quá
trình thực hiện luận văn.
Cám ơn Th.S Võ Quốc Khương, chị Nguyễn Trần Tường Vy, tập thể các bạn
trong nhóm Nano đã giúp đỡ và hỗ trợ hoàn thành khóa luận.

ii
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC HÌNH ẢNH vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ix
MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 2
1.1. Tổng quan về kim loại vàng (Au) 2
1.1.1. Tổng quát 2
1.1.2. Tính chất vật lý của vàng 2
1.1.3. Tính chất hóa học 2
1.1.4. Ứng dụng của vàng 3
1.2. Tổng quan về chitosan 5
1.2.1. Cấu trúc của chitosan 5
1.2.2. Tính chất của chitosan 6
1.2.3. Ứng dụng của chitosan 7
1.3. Tổng quan về nano vàng 8
1.3.1. Hạt nano kim loại 8
1.3.2. Tính chất của hạt nano kim loại 8
1.3.2.1. Tính chất quang 8
1.3.2.3. Tính chất điện 9
1.3.2.4. Tính chất từ 10
1.3.3. Hạt nano vàng 10

1.3.4. Phương pháp điều chế hạt nano vàng 13
1.3.4.1. Phương pháp khử hóa học 13
iii
1.3.4.2. Phương pháp khử vật lý 15
1.3.4.3. Phương pháp sinh học 15
1.3.4.4. Phương pháp khử hóa lý 17
1.3.5. Ứng dụng của hạt nano vàng 18
1.3.5.1. Trong công nghệ sinh học 18
1.3.5.2. Trong xúc tác 20
1.3.5.3. Trong mỹ phẩm 21
1.4. Tổng quan về vàng - chitosan 23
1.4.1. Tạo dung dịch nano vàng trong dung dịch chitosan bằng phương pháp
khử hóa học có gia nhiệt thông thường. 23
1.4.2. Ứng dụng của nano vàng – chitosan 23
1.5. Tổng quan về mỹ phẩm 24
1.5.1. Đối tượng da 24
1.5.2. Các bệnh liên quan đến da 25
1.4.3. Các nguyên liệu cơ bản dùng trong mỹ phẩm 27
1.5.4. Mỹ phẩm có chứa hạt nano vàng 30
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 31
2.1. Hóa chất và dụng cụ-thiết bị 31
2.1.1. Hóa chất 31
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm 32
2.2. Nội dung nghiên cứu 33
2.2.1. Các phương pháp phân tích đặc điểm nguyên liệu chitosan 33
2.2.1.1. Phương pháp phân tích FT-IR 33
2.2.1.2. Phương pháp đo sắc ký thẩm thấu gel GPC 34
iv
2.2.1.3.Phương pháp chụp ảnh FE-SEM 35
2.2.2. Phương pháp chế tạo hạt nano vàng 36

2.2.3. Các phương pháp phân tích hạt nano vàng và màng nano vàng 37
2.2.3.1. Phương pháp đo phổ hấp thụ bằng máy quang phổ UV-Vis 37
2.2.3.2. Phương pháp chụp ảnh TEM 39
2.2.3.3. Khảo sát tính kháng khuẩn của dung dịch nano vàng 40
2.2.4. Phương pháp tạo nền kem. 42
2.2.5. Các phương pháp phân tích mẫu kem nền và kem nano vàng – chitosan.
43
2.2.5.1. Phương pháp đo độ lún kim. 43
2.2.5.2. Phương pháp kiểm tra độ độc hại (độ kích ứng da). 43
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45
3.1. Phân tích nguyên liệu chitosan bằng phương pháp FT-IR, FE-SEM, GPC. 45
3.1.1. Kết quả phân tích FT-IR 45
3.1.2. Kết quả phân tích GPC 46
3.1.3. Kết quả phân tích FE-SEM 46
3.2. Chế tạo các hạt nano vàng trong chitosan 47
3.3. Kết quả TEM 55
3.4. Kết quả XRD 60
3.5. Khảo sát tính kháng khuẩn của dung dịch nano vàng 61
3.6. Tạo nền kem và kem nano vàng – chitosan. 62
3.6.1. Độ lún kim. 62
3.6.2. Kết quả kiểm tra kích ứng da 62
3.6.3. Kiểm tra nồng độ vàng trong kem. 64
v
CHƢƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66
4.1. Kết luận 66
4.2. Đề nghị 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Vàng thỏi 3
Hình 1.2: Ứng dụng trong điều trị ung thư 4
Hình 1.3: Ngôi nhà được trang trí bằng vàng 5
Hình 1.4: Sử dụng vàng trong các mạch điện 5
Hình 1.5: Công thức cấu tạo của chitin và chitosan 6
Hình 1.6: Minh họa cơ chế xuất hiện plasmon bề mặt của các hạt nano kim loại. 9
Hình 1.7: Chiếc cốc Lycurgus. 12
Hình 1.8: Một số thực vật được dùng trong sinh tổng hợp các hạt nano kim loại. 16
Hình 1.9: Ảnh TEM của tế bào Yarrowia lipolytica NCIM 3589 có chứa các hạt
nano vàng bên trong. 17
Hình 1.10: Hạt nano vàng với một số đối tượng sinh học 19
Hình 1.11: Hạt nano vàng sử dụng trong dẫn truyền thuốc 20
Hình 1.12: Đồng vị phóng xạ của hạt vàng Au
-198
kích thước vài nanomet có thể
tiêu diệt được các khối u. 20
Hình 1.13: Ứng dụng nano vàng trong mỹ phẩm. 22
Hình 1.14: Cấu tạo da 25
Hình 1.15: Công thức melanin. 26
Hình 1.16: Một số dầu mỡ thông dụng 27
Hình 1.17: Cấu trúc chung của chất hoạt động bề mặt 28
Hình 2.1: Mấy khuấy từ IKA

RET control-vis và pipet BIOHIT Proline, Đức. 32
Bercher 100ml, bình định mức 50ml. 32

Hình 2.2: Máy đo phổ FT- IR BRUKER EQUINOX 55. 34
Hình 2.3: Máy sắc ký thẩm thấu gel GPC AGILENT 1100 Series. 35
vii
Hình 2.4: Máy FE-SEM JSM 740F, Nhật. 35
Hình 2.5: Qui trình chế tạo hạt nano vàng trong chitosan có vitamin C làm chất
khử. 36
Hình 2.6: (a) Mẫu chứa dung dịch chitosan – vitamin C – HAuCl
4
, (b) Mẫu chứa
dung dịch nano vàng trong chitosan 36
Hình 2.7: Sơ đồ quang phổ kế hai chùm tia. 37
Hình 2.8: Máy quang phổ UV-Vis-NIR-V670, JASCO. 38
Hình 2.9: Máy TEM, JEM-1400, Nhật. 39
Hình 2.10: Cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua. 40
Hình 2.11: Sơ đồ tạo nền kem. 42
Hình 2.12: Phương pháp đo độ lún kim 43
Hình 3.1: Phổ FT-IR của chitosan nguyên liệu. 45
Hình 3.2: Công thức cấu tạo của chitosan. 46
Hình 3.3: Kết quả phân tích FE-SEM chitosan. 46
Hình 3.4: Mẫu khảo sát ảnh hưởng của thời gian 48
Hình 3.6: Các mẫu dung dịch nano vàng – chitosan khi thay đổi tỷ lệ
nHAuCl
4
/nvitamin C. 50
Hình 3.7: Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch keo nano vàng khảo sát ảnh hưởng
nHAuCl
4
/nvitamin C. 51
Hình 3.8: Mẫu khảo sát ảnh hưởng của pH. 52
Hình 3.9: Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch keo nano vàng khảo sát ảnh hưởng

pH. 53
Hình 3.10: Mẫu khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ 54
Hình 3.11: Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch keo nano vàng khảo sát 54
Hình 3.12: Ảnh TEM của mẫu 4 56
viii
Hình 3.13: Biểu đồ phân bố kích thước hạt nano vàng – chitosan trong mẫu 4. 56
Hình 3.14: Ảnh TEM khảo sát theo tỷ lệ Mẫu 10. 57
Hình 3.15: Biểu đồ phân bố kích thước hạt của mẫu 10. 57
Hình 3.16: Ảnh TEM của mẫu dung dịch nano vàng – chitosan được chế tạo 58
pH = 5. 58
Hình 3.17: Biểu đồ phân bố kích thước hạt của mẫu dung dịch nano vàng –
chitosan tại pH = 5. 58
Hình 3.18: Ảnh TEM dung dịch nano vàng – chitosan khi không sử dụng chất khử
vitamin C. 59
Hình 3.19: Biểu đồ phân bố kích thước hạt nano vàng – chitosan khi không sử
dụng chất trợ khử vitamin C. 59
Hình 3.20: (a) Ảnh TEM nano vàng – chitosan sử dụng chất trợ khử vitamin C
trong quá trình điều chế 60
(b) Ảnh TEM nano vàng – chitosan không sử dụng chất khử vitamin C trong quá
trình điều chế. 60
Hình 3.21: Giản đồ XRD của mẫu nano vàng điều chế được 60
Hình 3.22: (a) Mẫu đối chứng; (b) Mẫu kháng khuẩn của dung dịch nano vàng –
chitosan 61
Hình 3.23: Kem nền 62
Hình 3.24: Kem nano vàng – chitosan thành phẩm. 65




ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: So sánh kích thước của hạt nano Au dùng các chất khử khác nhau để tổng
hợp, tất cả được tính ở nano mét. 14
Bảng 2.1: Hóa chất dùng trong nghiên cứu chế tạo nano vàng - chitosan 31
Bảng 2.2: Hóa chất dùng trong nghiên cứu chế tạo nền kem. 32
Bảng 3.1: Kết quả khảo sát theo thời gian 49
Bảng 3.2: Kết quả khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ nHAuCl
4
/nvitamin C. 51
Bảng 3.3: Khảo sát ảnh hưởng của pH trong quá trình tạo nano vàng 53
Bảng 3.4: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự hình thành hạt nano
vàng trong dung dịch chitosan. 55
Bảng 3.5: Kết quả khảo sát tính kháng khuẩn của dung dịch nano vàng – chitosan 61
Bảng 3.6: Độ lún kim của kem nền. 62
Bảng 3.7: Mức độ phản ứng trên da thỏ. 63
Bảng 3.8: Phân loại các phản ứng trên da thỏ. 64
Bảng 3.9: Kết quả kiểm tra nồng độ vàng trong kem chứa 10% dung dịch nano
vàng – chitosan 64
Bảng 3.10: Kết quả kiểm tra nồng độ vàng trong kem chứa 15% dung dịch nano
vàng – chitosan 64
1
MỞ ĐẦU
Ngày nay, khoa học và công nghệ nano đã có những bước phát triển mạnh
mẽ, những nghiên cứu và công nghệ nano được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong
cuộc sống, đặc biệt là lĩnh vực y – sinh học. Ứng dụng của vật liệu ở kích thước
nano vào quá trình chẩn đoán và điều trị bệnh là một hướng nghiên cứu đang chiếm
nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới.
Chúng ta đã biết, vàng (Au) là nguyên tố kim loại chuyển tiếp, không độc, có
khả năng tương thích sinh học và được xem là trơ nhất trong tất cả các kim loại. Thế
nhưng khi tồn tại ở kích thước nano, các hạt nano vàng xuất hiện nhiều hoạt tính

khác biệt so với trạng thái vật liệu khối như: có khả năng xúc tác các phản ứng sinh
hóa, thay đổi bước sóng hấp thụ theo kích thước của hạt, mang đặc tính gắn kết với
các phân tử sinh học… Do đó, các hạt nano vàng đang có tiềm năng ứng dụng lớn
trong công nghệ sinh học và lĩnh vực xúc tác.
Với tiềm năng ứng dụng rộng lớn của nano vàng hiện nay, trong nội dung đề
tài này chúng tôi thực hiện nghiên cứu “chế tạo vật liệu nano vàng-chitosan định
hướng ứng dụng trong dược phẩm”.

2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về kim loại vàng (Au)
1.1.1. Tổng quát
- Tên thường gọi: vàng
- Ký hiệu hóa học: Au
- Số khối 79, thuộc nhóm IB, chu kỳ 6.
- Phân loại: thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp.
- Khối lượng nguyên tử: 196,967 đ.v.C
- Cấu hình electron: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
2
3d

10
4p
6
5s
2
4f
14
5p
6
6s
1
.
- Bán kính nguyên tử: 0,144nm.
- Bán kính ion (Au
+1
): 0,137nm.
- Cấu trúc tinh thể (ở 20
°
C): lập phương tâm mặt (FCC).
1.1.2. Tính chất vật lý của vàng
Vàng ở điều kiện thường (t = 20°C) tồn tại dạng thể rắn, có ánh kim. Vàng là
kim loại có tính dẻo cao, dễ dát mỏng và kéo sợi. Người ta có thể dát vàng thành lá
mỏng đến mức ánh sáng có thể xuyên qua. Vàng có tỷ trọng chất rắn (ở 20°C) là
19,32g/cm
3
, sôi tại nhiệt độ 2807°C, nóng chảy tại nhiệt độ 1064°C. Vàng có rất
nhiều đồng vị từ
183
Au đến
204

Au nhưng trong đó chỉ có một đồng vị bền tồn tại
trong thiên nhiên là
197
Au (chiếm 100%). Trong các kim loại thì vàng dẫn điện, dẫn
nhiệt rất tốt.
1.1.3. Tính chất hóa học
Hoạt tính hóa học của vàng tương đối nhỏ, nó không tan trong hầu hết các
acid. Vàng không phản ứng trực tiếp với oxi, nhưng khi ở nhiệt độ cao, như nhiệt độ
nóng chảy, vàng có khả năng hấp phụ oxi.
Au
r
+ 3NO
3
-
dd
+ 6H
+
dd
→ Au
3+
dd
+ 3NO
2kk
+ 3H
2
O
l

Au
3+

dd
+ 4Cl
-
dd
→ AuCl
4
-
dd

3
Vàng hóa hợp trực tiếp với Se, Te khi nung các đơn chất trong ampun hàn
kín. Thành phần của các hợp chất tạo thành khá phức tạp, trong đó đơn giản hơn cả
là AuSe
3
, AuTe
2
.
Vàng có phản ứng với các halogen. Khi cho khí clo đi qua vàng nung nóng
sẽ tạo ra muối clorua tương ứng (AuCl
3
). Vàng chỉ phản ứng với flo ở nhiệt độ cao.
1.1.4. Ứng dụng của vàng
Trong nền kinh tế: vàng là một loại tiền tệ đặc biệt dùng để trao đổi trong
hơn 5.000 năm nay. Lượng vàng tích trữ của một nước ảnh hưởng đến nền kinh tế
của nước đó. Ở Việt Nam, dùng vàng để lưu trữ (tiết kiệm) là một hình thức phổ
biến của người dân.

Hình 1.1: Vàng thỏi
Trong nha khoa: theo các nhà khảo cổ, vàng được sử dụng trong nha khoa
cách đây hơn 3000 năm. Những người Etrusca sống vào thế kỷ thứ 7 sau công

nguyên đã dùng các mẫu vàng để thay thế những chiếc răng bị hỏng. Đến thế kỷ 16,
một cuốn sách khảo cứu nha khoa đã giới thiệu vàng lá như là một vật liệu để lấp
các lỗ hỏng trong răng. Khoảng vài thập niên trước, dùng vàng thay thế những chiếc
răng bị hỏng rất phổ biến ở nước ta. Tuy nhiên, hiện nay giá trị của vàng tăng cao
nên việc sử dụng vàng làm răng giả đã giảm đáng kể.
Trong y học: theo Viện Nghiên Cứu Khoa Học quốc gia Pháp (CNRS), các
nhà nghiên cứu hiện đang thực hiện nhiều thử nghiệm về hạt nano vàng, trong đó có
thử nghiệm cho phép tiêu hủy các tế bào ung thư. Từ nhiều năm nay, các tế bào ung
4
thư được xử lý bằng hai liệu pháp xạ trị và hóa trị. Các nhà nghiên cứu đang tìm các
phương pháp trị liệu tế bào ung thư bằng cách ghép những phân tử thuốc trên những
hạt nano vàng để chúng hoạt động tương tự như đạn sinh học. Nghiên cứu này đang
được thực hiện từ 3 đến 4 năm nay tại Pháp nhưng chưa được ứng dụng trong liệu
pháp chữa bệnh. Phương pháp thứ hai đã được các nhà nghiên cứu Mỹ thử nghiệm
ở chuột: đó là kết hợp các hạt nano vàng với tia X để tăng hiệu quả trong việc phát
hiện các tế bào ung thư. Vàng từng là liệu pháp chữa bệnh phổ biến trong thời Cổ
đại tại Ai Cập, Ấn Độ và Trung Quốc để chữa các bệnh đậu mùa, loét ngoài da hay
ban đỏ. Cuối tháng 11/2006, nhóm nghiên cứu "GdR OrNano" thuộc Viện CNRS đã
tập trung 130 nhà khoa học (chuyên ngành hóa học, vật lý, sinh học…) thuộc 40
phòng thí nghiệm Pháp để nghiên cứu về các hạt nano vàng. Theo CNRS, hiện nay
các hạt nano vàng có thể được sử dụng trong nhiều lãnh vực như quang học, điện
tử, hóa học như chống ô nhiễm và làm chất xúc tác. Đây là một trong các chất kim
loại nổi trội nhất trong đầu thế kỷ 21.

Hình 1.2: Ứng dụng trong điều trị ung thư
Trang trí thiết kế: nhu cầu vàng phục vụ cho lĩnh vực này ước tính khoảng
90 tấn/năm và được sử dụng cho nhiều đối tượng khác nhau, từ trang sức, mặt đồng
hồ, bút máy, bút chì cho đến gọng kính và các dụng cụ trang trí phòng tắm. Từ
nhiều thế kỷ trước, vàng được sử dụng để trang trí các mái vòm hoặc trần nhà trong
các công trình kiến trúc công cộng, chủ yếu là do khả năng chống bào mòn của

5
vàng đồng nghĩa với việc tuổi thọ của các tác phẩm bằng vàng sẽ lâu hơn rất nhiều
so với các bức họa thông thường.

Hình 1.3: Ngôi nhà được trang trí bằng vàng
Điện tử: vai trò chính của vàng trong lĩnh vực điện tử được ứng dụng vào các
công tắc, bộ chuyển mạch, cục rơle và các khớp nối. Công tắc được mạ điện với
một lớp màng mỏng bằng vàng tăng khả năng dẫn lên nhiều lần. Việc gắn vàng lên
công tắc nhằm đảm bảo cho việc phân tán nhiệt lượng một cách nhanh chóng, và
giúp ngưng lại quá trình oxi hoá hoặc bị mờ do tác động của nhiệt độ quá thấp hoặc
quá cao. Một ứng dụng khác của vàng trong kỹ thuật điện là các thiết bị bán dẫn, ở
đó các dây hoặc “mảnh” vàng đủ nhỏ được dùng đề kết nối các chi tiết như bóng
bán dẫn với các vi mạch, và trong các bảng mạch thì được dùng để liên kết các chip
điện tử lại với nhau.

Hình 1.4: Sử dụng vàng trong các mạch điện
1.2. Tổng quan về chitosan
1.2.1. Cấu trúc của chitosan
6
Chitosan là một loại polime carbohydrate tự nhiên có thể tạo ra bằng cách
deacetyl hoá chitin.

Hình 1.5: Công thức cấu tạo của chitin và chitosan
Chitosan là dẫn xuất deacetyl hoá của chitin, trong đó nhóm (-NH
2
) thay thế
nhóm (-NHCOCH
3
) ở vị trí C
2

. Chitosan được cấu tạo từ các mắc xích D-
glucosamin liên kết với nhau bởi liên kết α-(1-4)-glycoside [1],[2].
1.2.2. Tính chất của chitosan
Không độc, tính tương thích sinh học cao và có khả năng phân hủy sinh học
nên không gây dị ứng và không gây phản ứng phụ, không gây tác hại đến môi
trường.
 Cấu trúc ổn định.
Tan tốt trong dung dịch acid loãng (pH < 6,3) và kết tủa ở những giá trị pH
cao hơn, hóa tím trong dung dịch iod.
 Có tính kháng khuẩn tốt.
7
Chitosan là hợp chất cao phân tử nên trọng lượng phân tử giảm dần theo thời
gian do phản ứng tự ngắt mạch, nhưng khi trọng lượng phân tử giảm thì hoạt tính
kháng khuẩn và kháng nấm không bị giảm đi.
 Có khả năng hấp phụ cao đối với các kim loại nặng.
 Khi pH < 6,3, chitosan có tính điện dương cao.
Trong phân tử chitosan có chứa nhóm -OH, -NHCOCH
3
trong các mắt xích
N- acetyl-D- glucosamin có nghĩa chúng vừa là alcol vừa là amin, vừa là amid.
Phản ứng hoá học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn xuất
thế N
Mặt khác, chitosan là những polime mà các monome được nối với nhau bởi
các liên kết α-(1-4)-glycoside; các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất như:
acid, bazơ, tác nhân oxy hoá và các enzyme thuỷ phân [1], [2].
1.2.3. Ứng dụng của chitosan
Trong y tế, chitosan có tác dụng làm màng chữa bỏng, tá dược độn trong làm
cốm, tá dược ổn định viên nén, thuốc trị viêm loét dạ dày tá tràng. Chitosan-colagen
hỗn hợp làm giảm cholesterol trong máu làm giảm sự hấp thụ lipid. Chitin được
dùng làm da nhân tạo, thuốc diệt khuẩn, chỉ khâu trong phẫu thuật.

Trong công nghiệp thực phẩm, chitosan làm phụ gia thực phẩm duy trì
hương vị tự nhiên, ổn định màu, nhũ tương, làm dày cấu trúc, màng bảo quản rau
quả tươi, làm trong nước quả ép, giữ màu sắc và hương vị tự nhiên của sản phẩm.
Trong công nghiệp in, chitosan làm chất keo cảm quang, trong công nghiệp
nhuộm làm tăng độ màu vải nhuộm. Trong nông nghiệp, oligochitosan làm thuốc
tăng trưởng thực vật và kích thích gây tạo kháng sinh thực vật, thuốc diệt nấm bệnh
cho thực vật, gia tăng hệ số nhân và sinh khối tươi cho cây nuôi cấy mô.
Trong khoa học kỹ thuật, chitosan làm dung dịch tăng độ khuyếch đại của
kính hiển vi, xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt: thu hồi ion kim loại, protein,
phenol, thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm [1], [2].
8
1.3. Tổng quan về nano vàng
1.3.1. Hạt nano kim loại
Khoa học và công nghệ nano là thuật ngữ đang được sử dụng phổ biến hiện
nay, đối tượng của chúng là những vật liệu có một hay nhiều chiều có kích thước ở
cấp độ nanomet. Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học
người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều
sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa. Nhưng thuật
ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974, do Nario
Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả
năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử. Khi vật liệu kim loại có kích
thước cả 3 chiều đều ở cấp độ nanomet thì người ta đặt tên cho nó là hạt nano kim
loại. Ở kích thước nano, kim loại sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền
thống không có được, nguyên nhân do liên quan đến sự thu nhỏ kích thước làm tăng
diện tích mặt ngoài.
1.3.2. Tính chất của hạt nano kim loại
Hạt nano kim loại có nhiều tính chất khác biệt so với vật liệu khối. Theo tổng
hợp các nghiên cứu từ trước tới nay, các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu
đều có một giới hạn theo kích thước. Nếu kích thước của vật liệu mà nhỏ hơn kích
thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi, người ta gọi đó là kích thước

tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh
được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu.
1.3.2.1. Tính chất quang
Cộng hưởng plasmon bề mặt là một trong những tính chất đặc biệt của các
hạt nano so với vật liệu khối. Nó là sự kích thích kết hợp của tất cả các điện tử tự do
trong vùng dẫn, dẫn đến một pha dao động nội nguyên tử [4], [5]. Điện trường của
ánh sáng tới gây ra sự phân cực tương đối của các điện tử tự do, hình 1.6, minh họa
sự phân cực của các điện tử trong hạt theo ánh sáng chiếu vào, lượng điện tích khác
nhau tại bề mặt còn tùy thuộc vào kích thước hạt nano. Khi chiều dài của tinh thể
9
nano kim loại nhỏ hơn bước sóng của bức xạ tới, cộng hưởng plasmon bề mặt sẽ
xuất hiện. Các dao động lưỡng cực của các điện tử sẽ tạo ra một tần số chính xác.
Như vậy hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt là sự kích thích lưỡng cực, giữa
điện tích âm của các điện tử tự do và điện tích dương của các nút mạng trong toàn
bộ hạt. Năng lượng của vùng cộng hưởng plasmon bề mặt phụ thuộc vào mật độ
điện tử tự do và hằng số điện môi của môi trường bao quanh hạt nano.

Hình 1.6: Minh họa cơ chế xuất hiện plasmon bề mặt của các hạt nano kim loại.
Ngoài ra, khi kích thước của tinh thể nano nhỏ hơn bước sóng de Broglie
(với hạt nano kim loại, đường kính hạt (d): d < 2nm) thì hạt được gọi là chấm lượng
tử. Người ta có thể điều khiển cấu tạo, kích thước, cũng như điều khiển số lượng
các điện tử bên trong nó nhờ sử dụng các kỹ thuật tiên tiến của công nghệ nano.
Chấm lượng tử có nhiều tính chất quang học kì lạ như nó hấp thụ ánh sáng nhưng
rồi nhanh chóng phát xạ nhưng với màu sắc khác. Vì kích thước rất bé nên chỉ tác
động nhẹ vào kích thước thì sẽ gây ra sự thay đổi lớn về khả năng hấp thụ và phát
xạ ánh sáng của chấm lượng tử, người ta gọi đó là hiệu ứng kích thước lượng tử.
1.3.2.3. Tính chất điện
Kim loại chứa nhiều điện tử tự do nên khi ở kích thước khối kim loại dẫn
điện tốt. Nhưng khi ở kích thước nano có vài sự thay đổi, ảnh hưởng của kích thước
lên độ dẫn điện của các hạt nano rất phức tạp. Độ dẫn điện cũng phụ thuộc nhiều

vào kích thước của vật liệu. Độ dẫn điện trong kim loại được mô tả bởi các tán xạ
10
electron khác nhau. Điện trở suất của chúng tuân theo định luật Matthiessen, bằng
tổng điện trở suất gây ra do nhiệt cộng với phần điện trở suất gây ra do bởi các
khuyết tật trong mạng tinh thể. Sự giảm các chiều của vật liệu có hai ảnh hưởng rõ
rệt lên điện trở suất:
Đầu tiên, giảm chiều làm tăng tính tuần hoàn của tinh thể hay làm giảm các
khuyết tật. Kết quả làm giảm các tán xạ do sai hỏng nên làm điện trở suất giảm. Tuy
nhiên tán xạ do các sai hỏng ảnh hưởng rất bé lên điện trở suất.
Thứ hai, khi giảm chiều thì các tán xạ đóng góp bởi bề mặt trở nên quan
trọng, và nó ảnh hưởng quyết định đến tổng điện trở suất của các hạt nano kim loại.
Ngoài ra, khi kích thước của các hạt nano nhỏ hơn kích thước tới hạn, chẳng
hạn nhỏ hơn bước sóng de Broglie của electron có thể dẫn đến thay đổi cấu trúc
điện tử. Các mức năng lượng trong kim loại trở nên rời rạc, độ rộng vùng cấm tăng
lên, dẫn đến làm giảm độ dẫn điện của vật liệu.
1.3.2.4. Tính chất từ
Tính chất từ của vật liệu là sự hưởng ứng của nó đối với từ trường (khi đặt
vào từ trường, trạng thái vật lý của nó thay đổi). Tính chất từ của vật liệu có nguồn
do các hạt (như hạt nhân, điện tử, nguyên tử) cấu thành có moment từ. Các kim loại
khi ở trạng thái khối có rất nhiều moment từ và chúng định hướng hỗn loạn nên
moment từ trung bình bằng không. Khi kích thước của vật liệu ở cấp độ nguyên tử
thì sự bù trừ sẽ không còn toàn diện nữa và vật liệu xuất hiện tính chất từ. Các kim
loại chuyển tiếp: sắt, coban, niken ở trạng thái khối đã có tính chất từ, khi ở dạng
hạt nano sẽ phá vỡ trật tự sắt từ và chuyển sang trạng thái siêu thuận từ.
1.3.3. Hạt nano vàng
Vào khoảng thế kỷ thứ 5-4 TCN, tại Ai Cập và Trung Quốc con người đã
biết được khả năng “làm tan” vàng để mở rộng hướng ứng dụng của vàng. Trong
thời cổ đại, vàng được sử dụng nhằm mục đích trang trí và vật trao đổi. Lúc này,
con người đã biết dùng dung dịch “keo” vàng để tạo màu cho thủy tinh và đồ gốm.
11

Nổi bật là chiếc cốc Lycurgus, hình 1.7, là sản phẩm nổi tiếng được người La Mã
chế tạo vào thế kỷ thứ 4 TCN. Điểm đặc biệt của chiếc cốc này có màu sắc khác
nhau tùy thuộc vào cách người ta nhìn vào. Chiếc cốc Lycurgus có màu xanh lục
khi ánh sáng phản xạ trên thành cốc và nó chuyển sang màu đỏ khi ánh sáng xuyên
từ trong cốc và đi qua thành cốc. Các phép phân tích ngày nay cho thấy trong thành
phần làm nên chiếc cốc có chứa các hạt nano vàng và nano bạc có đường kính
khoảng 70 nm.
Tuy con người biết chế tạo và sử dụng keo kim loại từ rất sớm, nhưng phải
đến khoảng thế kỷ 17 mới bắt đầu có những công trình nghiên cứu có tính hệ thống
đầu tiên về các phương pháp chế tạo và tính chất của vàng “keo”. Năm 1618,
Francisci Antonii, một nhà triết học và y bác sĩ, đã xuất bản cuốn sách đầu tiên về
vàng “keo”[6]. Nội dung chủ yếu của cuốn sách viết về cách hình thành vàng “keo”
và phương thức sử dụng chúng trong y học. Nó còn liệt kê lại những trường hợp
ứng dụng thành công cụ thể. Năm 1676, nhà hóa học người Đức đã xuất bản một
cuốn sách khác, viết về vàng keo với nội dung đề cập đến vấn đề khả năng chữa
một số bệnh bằng cách uống “keo” vàng loãng [7]. Đến năm 1857, Michael Faraday
đã trình bày báo cáo giải thích về sự hình thành dung dịch màu đỏ đậm của “keo”
vàng khi được khử từ dung dịch loãng của chloroaurate (AuCl
4
)
-
bằng cách dùng
phospho trong CS
2
. Ông ta đã nghiên cứu các tính chất quang của các màng mỏng
thu được khi làm khô dung dịch keo và đã quan sát thấy có sự thay đổi màu sắc của
màng khi nén.
12

Hình 1.7: Chiếc cốc Lycurgus.

Năm 1908, Mie là người đầu tiên giải thích màu đỏ của hạt nano “keo” vàng
bằng cách giải phương trình Maxwell cho trường hợp sóng điện từ ánh sáng tương
tác với các quả cầu kim loại nhỏ [8]. Ông chỉ ra vùng cộng hưởng plasmon phụ
thuộc trực tiếp vào kích thước hạt và bề rộng vùng plasmon tăng theo chiều tăng
kích thước hạt. Theo đó, các đặc điểm chính trong cộng hưởng plasma bề mặt của
hạt nano vàng:
- Xuất hiện ở vị trí khoảng 520 nm.
- Hình dạng phổ tăng theo chiều tăng kích thước các hạt nano. Khi kích thước
hạt đạt tới dưới 3 nm thì hiệu ứng lượng tử trở nên quan trọng.
- Khi kích thước của các hạt nano vàng dưới 2 nm thì không xuất hiện cộng
hưởng plasmon bề mặt.
- Vùng cộng hưởng plasma cực đại và bề rộng vùng phụ thuộc vào hình dạng
hạt, hằng số điện môi của môi trường và nhiệt độ.
Mặc dù “keo” vàng được sử dụng để chữa một số bệnh từ thời Trung Cổ và
một số phương pháp vẫn được sử dụng cho tới bây giờ ở một số nơi, nhưng các thử
nghiệm trên các dụng cụ phân tích hiện đại ngày nay cho kết quả kiểm tra không
hoàn toàn đáng tin cậy. Dựa trên cơ sở những gì đã biết, khoa học và công nghệ
nano đang không ngừng mở rộng ứng dụng của các hạt nano phục vụ cho các nhu
cầu ngày càng cao của con người.
13
1.3.4. Phƣơng pháp điều chế hạt nano vàng
Xét một cách tổng thể thì chỉ có 2 phương pháp chung dùng để tổng hợp các
hạt nano: phương pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên
(bottom-up), và trong mỗi phương pháp đã được mở rộng để ứng dụng cho các
trường hợp cụ thể. Phương pháp từ trên xuống sử dụng kỹ thuật nghiền và biến
dạng để biến vật liệu thể khối thành cỡ hạt kích thước nano. Đây là phương pháp
đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, tạo ra được một lượng lớn vật liệu, có thể tiến
hành cho nhiều loại vật liệu. Bằng kỹ thuật nghiền có thể tạo ra các hạt nano có
đường kính trong khoảng từ vài chục đến vài trăm nano mét. Tuy nhiên, các hạt
nano được tạo thành có tính đồng nhất không cao và có hình dáng khác nhau. Thêm

vào đó chúng có thể lẫn một lượng lớn tạp chất trong quá trình nghiền, nên ít được
sử dụng trong thực tế. Phương pháp từ dưới lên dựa trên việc hình thành các hạt
nano kim loại từ các nguyên tử hoặc ion tương ứng thông qua qua trình xử lý với
các tác nhân hóa học, vật lý, sinh học. Phương pháp từ dưới-lên được phát triển rất
rộng rãi vì sự tiện lợi và tính đồng nhất về mặt kích thước của sản phẩm cuối cùng.
Ngoài ra chúng không đòi hỏi quá phức tạp về máy móc, thiết bị, công nghệ. Nhược
điểm lớn nhất của phương pháp này là rất khó tạo ra một lượng rất lớn các hạt nano.
Dưới đây là một số phương pháp chung trong tổng hợp các hạt nano vàng bằng
phương pháp dưới-lên.
1.3.4.1. Phƣơng pháp khử hóa học
Từ trước đến nay, phương pháp khử hóa học được sử dụng chủ yếu để tổng
hợp các hạt nano dùng trong nghiên cứu và trong ứng dụng thực tiễn. Có thể nói,
khử các hợp chất phức tạp của kim loại trong dung dịch loãng là cách thức chung
nhất để tổng hợp các hạt nano kim loại. Người ta thay đổi các yếu tố như: các tiền
chất ban đầu, tác nhân khử, các yếu tố lý hóa, các phương thức tổng hợp, … để điều
khiển phản ứng khử và quá trình hình thành, phát triển của mầm. Để tổng hợp các
hạt nano vàng người ta thường khử dung dịch loãng của chloroaurate (AuCl
4
)
-
với
các chất khử khác nhau tùy vào mục đích muốn đạt được. Có thể nói đây là phương
14
pháp đơn giản và nhanh chóng để thu được các hạt nano. Hiện nay, người ta mở
rộng phương pháp này bằng cách kết hợp sử dụng các tác nhân vật lý hay sinh học
tác động vào trong quá trình khử để nâng cao hiệu quả cuả quá trình.
 Các nhân tố ảnh hưởng đến kích thước hạt tạo thành:
Ảnh hưởng của chất khử: trong phương pháp khử hóa học, kích thước và sự
phân bố kích thước của các hạt nano thu được chịu ảnh hưởng mạnh của loại chất
khử dùng để tổng hợp các hạt nano. Thông thường, phản ứng dùng chất khử mạnh

thì vận tốc phản ứng nhanh và tạo điều kiện thuận lợi để hình thành các hạt có kích
thước nhỏ hơn. Chất khử yếu làm vận tốc phản ứng chậm và các hạt nano tạo thành
có kích thước lớn hơn. Tuy nhiên, vận tốc phản ứng chậm lại tạo điều kiện thuận lợi
để kích thước hạt, làm cho hạt được tạo thành được đồng nhất hơn. Việc lựa chọn
tác nhân khử hóa học này phụ thuộc vào tính kinh tế và yêu cầu của quá trình điều
chế cũng như chất lượng của các hạt nano tạo thành. Bảng 1.1, cho thấy kích thước
trung bình của các hạt nano vàng được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học khi
dùng các tác nhân khử khác nhau.
Bảng 1.1: So sánh kích thước của hạt nano Au dùng các chất khử khác nhau để tổng
hợp, tất cả được tính ở nano mét.
Chất khử
436 nm*
546 nm*
XRD°
SEM
Sodium citrate
29.1
28.6
17.5
17.6 ± 0.6
Hydrogen
peroxide
25.3
23.1
15.1
15.7 ± 1.1

31.0
31.3
18.7

19.7 ± 2.6
Hydroxylamine
hydrochloride


37.8
22.8 ± 4.2
Citric acid
23.5
22.8

12.5 ± 0.6
Carbon monoxide
9.1
7.4
9.0
5.0 ± 0.5

15.3
15.3
9.8
7.5 ± 0.4

18.9
18.3
13.1
12.2 ± 0.5
Phosphorus

13.9
8.1 ± 0.5



21.0
15.5 ± 1.7



29.6
25.6 ± 2.6



36.9
35.8 ± 9.7
- Kích thước hạt được tính từ bước sóng tới của ánh sáng tán xạ.