Nghiên cứu chế tạo vàng nano và một số ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC HUẾ







LÊ THỊ LÀNH








NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀNG NANO
VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG






LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

HUẾ - NĂM 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC HUẾ





LÊ THỊ LÀNH





NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀNG NANO
VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG


Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
Mã số: 62.44.01.19

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC



NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1. GS. TS. Trần Thái Hòa
2. PGS. TS. Nguyễn Quốc Hiến



HUẾ - NĂM 2015
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả
nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử
dụng và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác.


Tác giả


Lê Thị Lành
L
Ờ
I C
Ả
M
Ơ
N

Trước hết, tôi xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS. Trần Thái Hòa và
PGS.TS. Nguyễn Quốc Hiến, các thầy đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ và định hướng
cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án.
Xin bày tỏ những lời cảm ơn đặc biệt đến TS. Đinh Quang Khiếu, TS.
Nguyễn Hải Phong, các thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực
hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Hóa học trường Đại học Khoa
học Huế, Bộ môn Hóa lý, Bộ môn Hóa Phân tích đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở
vật chất cho tôi trong suốt quá trình thí nghiệm.
Xin cảm ơn Ban giám hiệu, khoa Khoa học đại cương, trường Cao đẳng
Kinh tế - Kỹ thuật Quảng Nam, đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong
công tác để tôi hoàn thành tốt luận án này.
Tôi cũng xin cảm ơn TS. Nguyễn Thanh Định, khoa Hóa, trường Đại học
British Columbia, Canada; TS. Võ Thành Thìn, phân viện Thú y miền Trung đã hỗ
trợ và giúp đỡ tôi trong việc tìm kiếm tài liệu và phân tích các đặc trưng các mẫu
thực nghiệm trong luận án này.
Xin cảm ơn các bạn học viên cao học Hóa lý khóa 2011-2013 đã hỗ trợ tôi
trong quá trình thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi cảm ơn gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp đã động viên giúp
đỡ tôi hoàn thành luận án này.


Lê Thị Lành



MỤC LỤC
Trang

Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các từ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình

MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4
1.1. VẬT LIỆU VÀNG NANO 4
1.1.1. Tính chất cộng hưởng plasmon bề mặt 4
1.1.2. Tổng hợp vàng nano dạng cầu 8
1.1.3. Tổng hợp vàng nano dạng thanh 11
1.1.4. Cấu trúc của vàng nano dạng thanh 15
1.1.5. Cơ chế phát triển của vàng nano dạng thanh 16
1.1.6. Một số khái niệm liên quan đến vàng nano dạng thanh 19
1.2. GIỚI THIỆU VỀ CHITOSAN 20
1.2.1. Cấu trúc của chitosan 20
1.2.2. Độ deacetyl hóa của chitosan 20
1.2.3. Phản ứng N-acetyl hóa chitosan tạo chitosan tan 22
1.3. ỨNG DỤNG VÀNG NANO ĐỂ XÁC ĐỊNH MELAMIN
TRONG SỮA 23
1.3.1. Giới thiệu về melamin 23
1.3.2. Sử dụng vàng nano để xác định hàm lượng melamin trong sữa 24
1.4. ỨNG DỤNG ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH VÀNG NANO ĐỂ XÁC
ĐỊNH HÀM LƢỢNG AXIT URIC BẰNG PHƢƠNG PHÁP
VON-AMPE HÒA TAN 25
1.4.1. Giới thiệu phương pháp von-ampe hòa tan 25

1.4.2. Các điện cực sử dụng trong phương pháp von-ampe hòa tan 26
1.4.3. Sử dụng điện cực biến tính vàng nano để xác định axit uric bằng phương
pháp von-ampe hòa tan 27
1.5. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA VÀNG NANO 29
1.5.1. Giới thiệu về vi khuẩn 29
1.5.2. Ứng dụng kháng khuẩn của vàng nano 30
CHƢƠNG 2. NỘI DUNG, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC
NGHIỆM
2.1. MỤC TIÊU 32
2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 32
2.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32
2.3.1. Phương pháp phổ tử ngoại - khả kiến (Uv-Vis) 32
2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 34
2.3.3. Phương pháp quang phổ hồng ngoại (IR) 34
2.3.4. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 36
2.3.5. Phương pháp sắc ký thẩm thấu gel (GPC) 37
2.3.6. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) 37
2.3.7. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) 38
2.3.8. Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến (UV-Vis/DR) 39
2.3.9. Phương pháp phân tích sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) 40
2.3.10. Phương pháp đo độ nhớt 40
2.3.11. Phương pháp phân tích điện hóa 41
2.3.12. Phương pháp thống kê 42
2.4. THỰC NGHIỆM 43
2.4.1. Hóa chất 43
2.4.2. Điều chế chitosan tan trong nước 44
2.4.3. Tổng hợp vàng nano dạng cầu bằng phương pháp khử sử dụng
chitosan tan trong nước làm chất khử vừa làm chất ổn định 45
2.4.4. Tổng hợp vàng nano dạng thanh bằng phương pháp phát triển
mầm sử dụng CTAB làm chất bảo vệ 49

2.4.5. Nghiên cứu sử dụng vàng nano dạng cầu để xác định melamin trong
mẫu sữa 53
2.4.6. Nghiên cứu chế tạo điện cực vàng nano để xác định axit uric bằng
phương pháp von-ampe hòa tan 56
2.4.7. Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của vàng nano 58
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. TỔNG HỢP VÀNG NANO DẠNG CẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP
KHỬ SỬ DỤNG CHITOSAN TAN TRONG NƢỚC LÀM CHẤT KHỬ VÀ
CHẤT ỔN ĐỊNH 60
3.1.1. Điều chế chitosan tan trong nước 60
3.1.2. Tổng hợp vàng nano dạng cầu 67
3.2. TỔNG HỢP VÀNG NANO DẠNG THANH BẰNG PHƢƠNG PHÁP
PHÁT TRIỂN MẦM SỬ DỤNG CTAB LÀM CHẤT BẢO VỆ 90
3.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vàng nano dạng thanh 91
3.2.2. Cơ chế hình thành vàng nano dạng thanh 108
3.2.3. Tính chất, hình thái và cấu trúc của vật liệu vàng nano dạng thanh 109
3.3. ỨNG DỤNG VÀNG NANO ĐỂ XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG
MELAMIN TRONG SỮA 111
3.3.1. Kết quả thiết lập đường chuẩn 112
3.3.2. Cơ chế phản ứng giữa vàng nano và melamin 115
3.3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng 116
3.3.4. Đánh giá độ tin cậy của phương pháp 117
3.3.5. Xác định melamin trong mẫu sữa 119
3.3.6. Ảnh hưởng của một số ion, aminoacetic axit và vitamin C đến
quá trình xác định melamin trong sữa 121
3.4. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH VÀNG NANO
ĐỂ XÁC ĐỊNH AXIT URIC BẰNG PHƢƠNG PHÁP VON-AMPE
HÒA TAN 123
3.4.1. Khảo sát đặc tính điện hóa của các loại điện cực 125
3.4.2. Nghiên cứu quá trình biến tính điện cực 127

3.4.3. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu hòa tan 130
3.4.4. Đánh giá độ tin cậy của phương pháp 135
3.4.5. Áp dụng thực tế 138
3.5. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA VÀNG NANO146
Kết luận chính của luận án 151
Danh mục các công trình của tác giả
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN

AA Axit ascorbic
AR Tỷ lệ cạnh (Aspect Ratio)
CV Phương pháp von-ampe vòng (Circle Voltammetry)
CTAB Cetyl trimethyl ammonium bromide
CTS Chitosan
ĐĐA Độ deacetyl (Degree of Deacetylation)
EDX Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray
spectrum)
DP-ASV Phương pháp von-ampe hòa tan anot xung vi phân (Differential
Pulse Anodic Stripping Voltammetry)
ELISA Xét nghiệm hấp thụ miễn dịch liên kết với enzyme
(Enzyme-Linked Immunosorbent Assay)
L-cys L-cystein
GNR Nano vàng dạng que (gold nanorods)
GNP Nano vàng dạng cầu (gold nanoparticles)
GCE Điện cực than thủy tinh (Glassy Cacbon Electrode)
GC-MS Sắc ký khí ghép khối phổ (Gas Chromatography-Mass
Spectrometry)
GPC Sắc ký thẩm thấu gel (Gel Permeation Chromatography)
HPLC Sắc ký lỏng hiệu năng cao (High Performance Liquid

Chromatography)
IR Phổ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy)
LC-MS Sắc ký lỏng ghép nối khối phổ (Liquid Chromatography-Mass
Spectrometry)
LOD Giới hạn phát hiện (Limit of Detection)
LOQ Giới hạn định lượng (Limit of Quantitative)
LSPR Cộng hưởng plasmon bề mặt theo trục dọc (Longitudinal
Surface Plasmon Resonance)
Mel Melamin
NMR Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonace)
PBS: Đệm phosphate (Photphate Buffer Solution)
R Hệ số hấp thụ quang
SEM Hiển vi điển tử quét (Scanning Electron Microscopy)
SPR Cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon
Resonance)
TEM Hiển vi điển tử truyền qua (Transmission Electron
Microscopy)
TSPR Cộng hưởng plasmon bề mặt theo trục ngang (Transverse
Surface Plasmon Resonance)
TPP Sodium tripolyphosphate
WE Điện cực làm việc (Working Electrode)
WSC Chitosan tan trong nước (Water Soluble Chitosan)
XPS Phổ quang điện tử tia X (X-ray Photoelectron Spectroscopy)
XRD Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction)
UA Axit uric
UPD Sự khử dưới thế (Under Potential Deposition)
DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Các loại hoá chất sử dụng chính trong luận án 43
Bảng 2.2. Ký hiệu mẫu chitosan acetyl hóa tại các thời gian phản ứng khác nhau 45

Bảng 2.3. Ký hiệu mẫu WSC tại các thời gian phản ứng với H
2
O
2
khác nhau 45
Bảng 2.4. Ký hiệu mẫu GNP tại các thời gian khử khác nhau 47
Bảng 2.5. Ký hiệu mẫu GNP tại các nhiệt độ khử khác nhau 47
Bảng 2.6. Ký hiệu mẫu GNP tại các nồng độ Au
3+
khác nhau 48
Bảng 2.7. Ký hiệu mẫu GNP tại các nồng độ WSC khác nhau 48
Bảng 2.8. Ký hiệu mẫu GNP với các WSC có khối lượng phân tử khác nhau 49
Bảng 2.9. Ký hiệu mẫu GNP gia tăng độ ổn định 49
Bảng 2.10. Ký hiệu mẫu GNR tại các tỷ lệ mol [Ag
+
]/[Au
3+
] khác nhau 51
Bảng 2.11. Ký hiệu các mẫu GNR tại các tỷ lệ mol [AA]/[Au
3+
] khác nhau 52
Bảng 2.12. Ký hiệu các mẫu GNR với các nồng độ CTAB khác nhau 52
Bảng 2.13. Ký hiệu các mẫu GNR tại các nồng độ Au
3+
khác nhau 53
Bảng 2.14. Ký hiệu các mẫu GNR tại các giá trị pH khác nhau 53
Bảng 3.1. Độ deacetyl hóa (ĐĐA) và khả năng hòa tan trong nước của mẫu 62
chitosan axetyl hóa với các thời gian phản ứng khác nhau
Bảng 3.2. ĐĐA và M
w

của các mẫu WSC tại các thời gian phản ứng oxi hóa 64
khác nhau
Bảng 3.3. Độ chuyển dịch hóa học các proton của CTS và WSC trong phổ 66

1
H-NMR
Bảng 3.4. Giá trị cực đại hấp thụ (A
max
) của các mẫu sau các thời gian lưu trữ 71
Bảng 3.5. Bước sóng hấp thụ cực đại (
max
), cực đại hấp thụ (A
max
) và kích thước 73
hạt (d) của GNP tại các nồng độ Au
3+
khác nhau
Bảng 3.6. Bước sóng hấp thụ cực đại (
max
), cực đại hấp thụ (A
max
) và 75
kích thước hạt (d) của GNP tại các nồng độ WSC khác nhau
Bảng 3.7. Giá trị cực đại hấp thụ (A
max
) của các mẫu sau các thời gian lưu trữ 77
Bảng 3.8. Tốc độ ban đầu được tính ở 30 phút 84
Bảng 3.9. Bậc phản ứng (a) của Au
3+
tính từ tốc độ ban đầu 85

Bảng 3.10. Giá trị hằng số tốc độ phản ứng k và bậc phản ứng của WSC 85
tính theo tốc độ ban đầu
Bảng 3.11. Giá trị cực đại hấp thụ (A
max
) của các mẫu sau các thời gian lưu trữ 86
Bảng 3.12. Bước sóng hấp thụ cực đại (
max
), cực đại hấp thụ (A
max
) và kích thước 89
hạt của các mẫu vàng nano tại các tỷ lệ [Au
3+
]/[Au
0
] khác nhau
Bảng 3.13. Sự thay đổi thế khử tiêu chuẩn của Au
3+
và Au
+
105
Bảng 3.14. Giá trị tỷ lệ A
650
/A
520
và độ lệch chuẩn tương đối tại các nồng độ 113
melamin khác nhau
Bảng 3.15. Giá trị tỷ lệ A
650
/A
520

và thời gian chuyển màu của dung dịch 116
vàng nano-melamin tại hai kích thước hạt khác nhau
Bảng 3.16. Hệ số tương quan (R), độ nhạy (b, hệ số góc), LOD và LOQ của 118
phương pháp trắc quang sử dụng vàng nano để xác định melamin
Bảng 3.17. Kết quả xác định melamin trong 7 mẫu sữa thật sử dụng vàng nano 120
và phương pháp HPLC
Bảng 3.18. So sánh phương pháp trắc quang sử dụng vàng nano GNP để xác định 123
melamin trong sữa với một số nghiên cứu khác
Bảng 3.19. Các thông số được cố định ban đầu trong phương pháp DP- ASV 124
Bảng 3.20. Các thông số cố định trong phương pháp CVS 124
Bảng 3.21. Giá trị E
p
, I
p
, b, và RSD của các điện cực làm việc trong DP-ASV 125
Bảng 3.22. Giá trị E
p
, I
p
, b, và RSD của các điện cực làm việc trong CVS 126
Bảng 3.23. Giá trị E
p
, I
p
, b, và RSD tại các nồng độ L-cystein khác nhau 128
Bảng 3.24. Giá trị E
p
, I
p
, b, và RSD với các vòng quét khác nhau 129

Bảng 3.25. Điều kiện thích hợp để biến tính điện cực 130
Bảng 3.26. Giá trị E
p
, I
p
, và RSD với các giá trị pH khác nhau 131
Bảng 3.27. Giá trị E
p
, I
p
, b, và RSD với các tốc độ quét khác nhau 134
Bảng 3.28. Các điều kiện thí nghiệm để xác định UA bằng phương pháp DP-ASV 135
sử dụng điện cực GCE/L-cys/GNP
Bảng 3.29. Kết quả xác định khoảng tuyến tính của phương pháp DP-ASV 136
Bảng 3.30. Hệ số tương quan (r), độ nhạy (b, hệ số góc), LOD và LOQ của 137
phương pháp DP-ASV dùng điện cực GCE/L-cys/GNP
Bảng 3.31. Các giá trị Ip,
TB
và độ lệch chuẩn tại các giá trị nồng độ UA khác nhau 138
Bảng 3.32. Ký hiệu và lý lịch mẫu 139
Bảng 3.33. Độ thu hồi của một số mẫu nước tiểu 140
Bảng 3.34. Nồng độ UA trong một số mẫu nước tiểu 141
Bảng 3.35. Nồng độ UA trong mẫu nước tiểu xác định bằng 2 điện cực 142
Bảng 3.36. Độ thu hồi của một số mẫu huyết thanh 143
Bảng 3.37. Nồng độ của UA trong năm mẫu huyết thanh 144
Bảng 3.38. So sánh phương pháp DP-ASV sử dụng điện cực biến tính vàng nano 145
để xác định axit uric với một số nghiên cứu khác
Bảng 3.39. Kết quả nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của vàng nano 149

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Màu sắc của các keo vàng nano theo kích thước hạt 4
Hình 1.2. Cộng hưởng plasmon bề mặt 5
Hình 1.3. Hiện tượng SPR của vàng nano dạng cầu 6
Hình 1.4. Hiện tượng SPR xảy ra theo trục dọc và trục ngang của GNR (a); 7
phổ UV-Vis tương ứng của GNR (b)
Hình 1.5. Sự phụ thuộc của hiện tượng SPR vào hình dạng và kích thước 8
của hạt vàng nano
Hình 1.6. Phổ UV-Vis (a) và ảnh TEM (b) của vàng nano sử dụng chitosan 10
làm chất khử và chất ổn định
Hình 1.7. Ảnh TEM (a) và phân bố kích thước hạt (b) của vàng nano sử dụng 11
chitosan làm chất khử và chất ổn định
Hình 1.8. Ảnh TEM của vàng nano dạng thanh với AR  4 13
Hình 1.9. Sơ đồ tổng hợp GNR bằng phương pháp phát triển mầm của Jana và 13
cộng sự năm 2001(a) và được Nikoobakht cải tiến năm 2003 (b)
Hình. 1.10. Mô hình cấu trúc vàng nano của Wang và cộng sự (a), Gain và 16
Harmer (b), Murphy và cộng sự (c) và Liz-Marzán và cộng sự (d)
Hình 1.11. Cơ chế hình thành hạt vàng nano dạng thanh trong trường hợp 17
không có AgNO
3

Hình 1.12. Cơ chế hình thành hạt vàng nano dạng thanh từ hạt mầm đơn tinh thể (a) 19
và hạt mầm multiply twinned (b) dưới sự định hướng của Ag
+

Hình 1.13. Cấu trúc của chitosan 20
Hình 1.14. Cấu tạo của melamin 23
Hình 1.15. Sự kết hợp giữa melamin và axit cyanuric 24
Hình 1.16. Công thức cấu tạo của L-cystein 27
Hình 1.17. Cấu trúc phân tử của axit uric 28
Hình 1.18. Tinh thể axit uric kết tủa trong khớp xương 28
Hình 1.19. Khả năng kháng khuẩn của vàng nano 31
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua 34
Hình 2.2. Các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn 36
Hình 2.3. Nguyên tắc tán xạ tia X dùng trong phổ EDX 38
Hình 2.4. Phản xạ gương và phản xạ khuyếch tán từ bề mặt nhám 39
Hình 2.5. Quy trình điều chế WSC 44
Hình 2.6. Sơ đồ tổng hợp vàng nano dạng cầu (GNP) sử dụng WSC 46
Hình 2.7. Sơ đồ tổng hợp vàng nano dạng thanh (GNR) 50
Hình 2.8. Quy trình xác định melamin trong mẫu sữa thật 55
Hình 2.9. Sơ đồ tiến trình thí nghiệm theo phương pháp von-ampe vòng 57
Hình 2.10. Sơ đồ tiến trình thí nghiệm theo phương pháp DP-ASV 57
Hình 3.1. Phổ IR của các mẫu chitosan acetyl hóa với các thời gian khác nhau 60
Hình 3.2. Giản đồ XRD của CTS và WSC 63
Hình 3.3. Phổ FTIR của WSC3
h
OX, WSC6
h
OX và WSC18
h
OX 64

Hình 3.4. Chitosan (a), chitosan tan dạng rắn (b) và dung dịch chitosan tan (c) 65
Hình 3.5. Phổ
1
H-NMR của CTS (a); WSC (b) 66
Hình 3.6. Hai loại mắt xích monomer trong mạch phân tử chitosan 67
Hình 3.7. Phổ UV-Vis (a) và giản đồ biểu diễn cực đại hấp thụ (b) của GNP tại 68
các thời gian khử khác nhau
Hình 3.8. Phổ UV-Vis của WSC, Au
3+
, GNP-2h và GNP-8h 68
Hình 3.9. Ảnh TEM với độ phân giải khác nhau và phân bố kích thước hạt của 69
GNP tại các thời gian khử 8 và 31 giờ
Hình 3.10. Phổ UV-Vis của GNP tại các nhiệt độ khử khác nhau 70
Hình 3.11. Phổ UV-Vis của GNP tại các nồng độ Au
3+
khác nhau 72
Hình 3.12. Ảnh TEM của GNP có độ phân giải khác nhau tại các nồng độ Au
3+
: 73
0,25; 0,50; 1,00 và 1,50 mM
Hình 3.13. Phổ UV-Vis của GNP tại các nồng độ WSC

khác nhau 74
Hình 3.14. Ảnh TEM của GNP có độ phân giải khác nhau tại các nồng độ WSC: 75
0,25; 0,50 và 1,00%
Hình 3.15. Phổ UV-Vis của GNP với các WSC

có khối lượng phân tử khác nhau 76
Hình 3.16. Phổ UV-Vis (a) và giản đồ XRD của WSC, GNP (b) 78
Hình 3.17. Ảnh TEM có độ phân giải khác nhau và phân bố kích thước hạt 78

của GNP
Hình 3.18. Phổ FT-IR của WSC trước và sau khi bị oxi hóa bởi Au
3+
(WSC
OX
) 79
Hình 3.19. Phổ UV-Vis/DR (a) và giản đồ EDX (b) của GNP 81
Hình 3.20. Cơ chế phản ứng khử Au
3+
bằng WSC 82
Hình 3.21. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa: (a) logA và log[Au
3+
]; 84
(b) logk
‟
và log[WSC]
Hình 3.22. Phổ UV-Vis của GNP với các nồng độ WSC

thêm khác nhau 86
Hình 3.23. Phổ UV-Vis của GNP tại các tỷ lệ [Au
3+
]/[Au
0
] khác nhau 88
Hình 3.24. Ảnh TEM của các hạt vàng nano GNP tổng hợp bằng phương pháp 88
phát triển mầm tại các tỷ lệ [Au
3+
]/[Au
0
] khác nhau

Hình 3.25. Mô hình minh họa sự phát triển hạt mầm trong trường hợp: không có 90
dư Au
3+
trong dung dịch (a) và có dư Au
3+
trong dung dịch (b)
Hình 3.26. Phổ UV-Vis (a); và đồ thị biểu diễn bước sóng hấp thụ cực đại của dao 92
động LSPR và tỷ số độ hấp thụ quang (R) của dao động LSPR/dao
động TSPR (b) tại các tỷ lệ mol [Ag
+
]/[Au
3+
]: 0,0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 và 0,5
Hình 3.27. Sơ đồ minh họa tương tác của ánh sáng phân cực trên vàng nano 93
dạng cầu (A) và dạng thanh (B)
Hình 3.28. Ảnh TEM của các mẫu GNR tại các tỷ lệ mol [Ag
+
]/[Au
3+
] khác nhau 94
Hình 3.29. Vị trí của nguyên tử Ag (dạng cầu màu đỏ) trên mặt tinh thể (110) (a), 96
(100) (b) và (111) (c) của cấu trúc lập phương
Hình 3.30. Cơ chế hình thành GNR dưới sự định hướng của ion Ag
+
97
Hình 3.31. Phổ UV-Vis (a) và đồ thị biểu diễn bước sóng hấp thụ cực đại của 98
dao động LSPR, tỷ số độ hấp thụ quang R (b) tại các tỷ lệ mol [AA]/[Au
3+
]:
1,0; 1,5; 2,0; 2,5

Hình 3.32. Ảnh TEM có độ phân giải khác nhau của các mẫu GNR tại các tỷ lệ mol 99
[AA]/[Au
3+
]: 1,0; 1,5; 2,0; và 2,5
Hình 3.33. Phổ UV-Vis (a) và đồ thị biểu diễn cực đại hấp thụ của dao động LSPR 101
và tỷ số độ hấp thụ quang R (b) tại các nồng độ Au
3+
: 5; 10; 15 và 20 mM
Hình 3.34. Ảnh TEM của các mẫu GNR tại các nồng độ Au
3+
khác nhau 102
Hình 3.35. Phổ UV-Vis (a) và đồ thị biểu diễn bước sóng hấp thụ cực đại của dao 103
động LSPR và tỷ số độ hấp thụ quang R (b) tại các nồng độ CTAB
khác nhau
Hình 3.36. Ảnh TEM của các mẫu GNR tại các nồng độ CTAB khác nhau 104
Hình 3.37. Phổ UV-Vis (a); và đồ thị biểu diễn bước sóng hấp thụ cực đại của dao 106
động LSPR và tỷ số độ hấp thụ quang R (b) tại các giá trị pH khác nhau
Hình 3.38. Sự phụ thuộc khả năng khử của AA vào pH 106
Hình 3.39. Ảnh TEM của các mẫu GNR tại các giá trị pH khác nhau 108
Hình 3.40. Giai đoạn tạo mầm trong quá trình tổng hợp GNR 108
Hình 3.41. Cơ chế phát triển của GNR dưới sự định hướng của Ag
+
và CTAB 109
Hình 3.42. Phổ UV-Vis (a) và giản đồ XRD (b) của GNR 110
Hình 3.43. Ảnh TEM với các độ phân giải khác nhau của GNR 110
Hình 3.44. Giản đồ EDX của GNR 111
Hình 3.45. Sự thay đổi màu (a) và phổ UV-Vis (b) của dung dịch vàng nano và 113
vàng nano-melamin với các nồng độ melamin khác nhau (mg/L)
Hình 3.46. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ lệ A
650/

A
520
và C
Mel
114
Hình 3.47. Phổ UV-Vis và ảnh TEM của vàng nano khi không có melamin (a) và 114
khi có melamin (b)
Hình 3.48. Cơ chế phản ứng giữa GNPbt và melamin 115
Hình 3.49. Ảnh hưởng của giá trị pH đến tỷ lệ A
650
/A
520
117
Hình 3.50. Phổ UV-Vis của GNP-Mel tại C
Mel
=1,00 mg/L, lặp lại 7 lần 119
Hình 3.51. Hình ảnh xác định melamin trong mẫu sữa 119
Hình 3.52. Phổ UV-Vis của các dung dịch vàng nano-sữa 120
Hình 3.53. Ảnh hưởng của các ion, aminoacetic axit (AA) và vitamin C (VC) đến 121
tỷ lệ A
650
/A
520
tại các nồng độ khác nhau của tác nhân ảnh hưởng (a)
và tại nồng độ chất ảnh hưởng bằng 0,10 g/L (b)
Hình 3.54. Dung dịch vàng nano GNP trước và sau khi thêm dung dịch sữa 122
(đã xử lý) có chứa melamin hoặc các yếu tố ảnh hưởng khác
Hình 3.55. Đường von-ampe hòa tan của UA theo các lần thêm chuẩn (a); đường 126
von-ampe hòa tan của UA trong 4 lần lặp lại (b) điện cực GCE/L-cys/GNP
Hình 3.56. Các đường CVS của 3 loại điện cưc khác nhau 126

Hình 3.57. Quá trình biến tính điện cực GCE 127
Hình 3.58. Sự phụ thuộc của I
p. UA
vào nồng độ L-cystein 127
Hình 3.59. Đường von-ampe hòa tan của UA sau các lần thêm chuẩn (a); đường 128
von-ampe hòa tan của UA trong 4 lần lặp lại với nồng độ L-cystein
1,0 mM (b)
Hình 3.60. Sự phụ thuộc của I
p. UA
vào số vòng quét L-cystein 129
Hình 3.61. Đường von-ampe hòa tan của UA sau các lần thêm chuẩn (a); Đường 130
von-ampe hòa tan của UA trong 4 lần lặp lại với số vòng quét 20 vòng
Hình 3.62. Sự phụ thuộc của I
p
vào pH (a) và các đường von-ampe hòa tan của 131
UA tại giá trị pH khác nhau (b)
Hình 3.63. Đường hồi quy tuyến tính biểu diễn mối tương quan giữa E
p
và pH 132
Hình 3.64. Các đường von-ampe của UA ở các tốc độ quét từ 20 đến 120 mV/s 134
Hình 3.65. Đường von-ampe hòa tan của UA với khoảng nồng độ 2†100 μM 136
Hình 3.66. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa I
p
và C
UA
(TN1) 136
Hình 3.67. Đường von-ampe hòa tan của UA, lặp lại 9 lần 138
a) C
UA
= 6 μM; b) C

UA
=20 μM; c) C
UA
= 40 μM
Hình 3.68. Đường von-ampe hòa tan của UA: TN1 (a); TN2 (b) của mẫu NT1 141
và TN1 (c); TN2 (d) của mẫu NT5
Hình 3.69. Đường von-ampe hòa tan của UA của mẫu NT4 sau 3 lần lặp lại 142
Hình 3.70. Đường von-ampe hòa tan của UA ở 2 lần chế tạo điện cực (mẫu NT4) 142
Hình 3.71. Đường von-ampe hòa tan của UA: TN1 (a); TN2 (b) của mẫu HT2 và 144
TN1 (c); TN2 (d) của mẫu HT4
Hình 3.72. Đường von-ampe hòa tan của UA của mẫu HT2 sau 3 lần lặp lại 144
Hình 3.73. Kết quả kháng khuẩn của mẫu GNP (a: quan sát bằng mắt thường; 146
b: sử dụng thuốc thử Alamar Blue)
Hình 3.74. Kết quả kháng khuẩn của mẫu GNR (a,b: quan sát bằng mắt thường; 148
c,d: sử dụng thuốc thử Alamar Blue)
Hình 3.75. Biểu đồ biểu thị giá trị MIC của vàng nano và kháng sinh đối với 150
4 loại vi khuẩn





1
MỞ ĐẦU
Vàng nano là một trong những vật liệu kích thước nano đang thu hút sự quan
tâm của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước bởi những tính chất quang học độc
đáo của chúng, đặc biệt là hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (surface plasmon
resonance, SPR) [35], [39], [81], [93], [102], [126] và những ứng dụng to lớn của
chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xúc tác [4], [19], [87], điện hóa [26],
[45], [104], [105], cảm biến sinh học [40], [93], [103], khuếch đại tán xạ Raman bề

mặt (surface enhanced Raman scattering, SERS) [32], đặc biệt là trong y học để
chẩn đoán và điều trị ung thư [18], [39], [40], [126].
Cho đến nay, đã có nhiều phương pháp khác nhau được nghiên cứu để tổng
hợp vàng nano như phương pháp chiếu xạ [1], [23], [65], [66], phương pháp khử
hóa học [4], [12], [43], khử sinh học [13], [43], [52], phương pháp điện hóa [63],
[122], phương pháp quang hóa [70], phương pháp phát triển mầm [10], [17], [40],
[115], [127], Mỗi phương pháp đều tạo ra các hạt vàng nano với hình dạng, kích
thước khác nhau như dạng cầu, dạng thanh, dạng sợi, hình tam giác, hình lăng trụ,
hình tứ diện, hình lập phương, [28], [31], [70]. Chẳng hạn, để tổng hợp ra vàng
nano dạng cầu thì phương pháp phổ biến nhất là sử dụng tác nhân khử hóa học như
NaBH
4
hay natri citrate [4], [12]. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là
sử dụng các tác nhân độc hại, gây ảnh hưởng đối với môi trường. Gần đây, các nhà
khoa học đã sử dụng "phương pháp xanh” (green method) [13], [37], [80], [92] để
tổng hợp vàng nano dạng cầu với mục đích khắc phục hạn chế nói trên. Trong khi
đó, để tổng hợp vàng nano dạng thanh thì phương pháp được cho là tối ưu nhất cho
đến thời điểm hiện tại là phương pháp phát triển mầm [70], [93], [96]. Sản phẩm tạo
thành từ phương pháp này có độ đơn phân tán, có thể kiểm soát được tỷ lệ
dài/ngang (tỷ lệ cạnh) bằng cách thay đổi các yếu tố ảnh hưởng [70], [96].
Nhiễm bẩn melamin trong sữa gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe
của trẻ em và là một vấn đề thu hút sự chú ý của đông đảo cộng đồng xã hội [12],
[20], [22], [44]. Do đó, việc xác định melamin trong thực phẩm nói chung và trong
sữa nói riêng là điều hết sức cần thiết. Cho đến nay, các phương pháp thường được
sử dụng, đó là sắc ký khí ghép nối khối phổ (GC/MS) [41], sắc ký lỏng ghép nối
2
khối phổ (LC/MS) [41], [95], sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) [85], ELISA [49],
[95]. Nhìn chung, những phương pháp này có độ chính xác cao nhưng yêu cầu thiết
bị đắt tiền, tốn nhiều thời gian và phải có chuyên viên thực hiện. Gần đây, một số
tác giả trên thế giới đã tìm ra phương pháp mới, sử dụng vàng nano để xác định

melamin với ưu điểm rẻ, nhanh, đơn giản và độ nhạy cao [32], [33], [36], [112].
Dựa vào sự thay đổi màu của dung dịch vàng nano khi có mặt melamin, có thể dễ
dàng định tính melamin bằng mắt thường. Đồng thời, có thể định lượng hàm lượng
melamin trong sữa dựa vào phép đo trắc quang. Các hạt vàng nano được tổng hợp
từ các phương pháp khác nhau đã được sử dụng cho mục đích này. Tuy nhiên, việc
sử dụng vàng nano để xác định melamin vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ.
Phương pháp von-ampe hòa tan là một phương pháp phân tích điện hóa hiện
đại với nhiều ưu điểm như chi phí thấp, độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp, độ
chọn lọc cao [34], [98], [106]. Điện cực làm việc thường được sử dụng là điện cực
thủy ngân với ưu điểm là có khả năng tạo hỗn hống được với nhiều kim loại, đồng
thời khoảng thế hoạt động về phía âm lớn [106]. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là
dễ tắc mao quản và độc tính cao [34], [98]. Do vậy, xuất hiện ngày càng nhiều các
công trình nghiên cứu biến tính điện cực để khắc phục hạn chế này, trong đó điện
cực biến tính vàng nano đang thu hút sự quan tâm đáng kể của nhiều nhà khoa học
bởi những tính chất độc đáo của nó khi ở kích thước nano. Hiện nay, các nhà khoa
học trên thế giới đã chế tạo thành công điện cực biến tính vàng nano để xác định
một số ion kim loại và hợp chất hữu cơ [45], [62], [98]. Trong đó, việc xác định axit
uric trong các đối tượng sinh học đang nhận được sự quan tâm lớn bởi vì nồng độ
axit uric trong mẫu huyết thanh, nước tiểu sẽ giúp chúng ta biết dấu hiệu của một số
bệnh, đặc biệt là bệnh gout [26], [34], [45], [68], [98], [104], [109].
Hiện nay, hiện tượng kháng thuốc của vi khuẩn đang trở nên ngày càng phổ
biến. Do vậy, các nhà khoa học đã nghiên cứu sử dụng các hạt nano kim loại với
mục đích ức chế sự phát triển của vi khuẩn. Đã có một số công bố tổng hợp vàng
nano từ các dịch chiết quả nho, hoa hướng dương, trà, và sử dụng vàng nano tổng
hợp được để ức chế vi khuẩn với nhiều khả quan [11], [13], [24], [52], [55]. Tuy
nhiên, nghiên cứu kháng khuẩn của vàng nano cũng chưa được phát triển đầy đủ.
3
Mặc dù vàng nano đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
khác nhau, tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề mới mẻ, hứa hẹn nhiều khám phá mới từ
chúng. Trong xu thế đó, tại Việt Nam hiện nay cũng có nhiều nhà khoa học quan

tâm nghiên cứu tổng hợp vàng nano cũng như khảo sát các ứng dụng của chúng.
Tuy nhiên, chưa có một công trình nào nghiên cứu một cách hệ thống quá trình tổng
hợp vàng nano cũng như các yếu tố ảnh hưởng. Do vậy, tiếp tục đi sâu nghiên cứu
tổng hợp và khảo sát các ứng dụng của chúng là rất cần thiết.
Xuất phát từ thực tế trên, chúng tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu chế tạo vàng
nano và một số ứng dụng”.
Cấu trúc của luận án:
Phần mở đầu
Chƣơng 1. Tổng quan
Chƣơng 2. Nội dung, phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm
Chƣơng 3. Kết quả thảo luận gồm các vấn đề chính sau:
- Nghiên cứu tổng hợp vàng nano dạng cầu (ký hiệu GNP) sử dụng chitosan
tan trong nước làm chất khử và chất ổn định
- Nghiên cứu tổng hợp vàng nano dạng thanh (ký hiệu GNR) bằng phương
pháp phát triển mầm sử dụng CTAB làm chất bảo vệ
- Nghiên cứu một vài ứng dụng của vàng nano:
+ Nghiên cứu sử dụng vàng nano để phát hiện melamin trong sữa
+ Nghiên cứu sử dụng điện cực biến tính vàng nano để xác định axit uric
+ Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của vàng nano
Phần nhận xét chung và kết luận
Danh mục các bài báo liên quan đến luận án
4
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. VẬT LIỆU VÀNG NANO
Vật liệu nano kim loại nói chung và vàng nano nói riêng đang nhận được sự
quan tâm của các nhà khoa học bởi những tính chất quan trọng, đặc biệt là hiện
tượng cộng hưởng plasmon bề mặt [35], [39], [81], [93], [102] và những ứng dụng
rộng rãi của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xúc tác [4], [19], [87], điện

hóa [26], [45], [104], [105], khả năng chống oxi hóa [64], phát hiện và điều trị ung
thư [18], [39], [40], Các hạt vàng nano với kích thước từ 1 nm đến lớn hơn 100
nm có tính chất quang, điện độc đáo, khác hẳn so với vật liệu vàng dạng khối (bulk
material) [39]. Trong đó, sự khác nhau đáng chú ý giữa vàng nano và kim loại 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 hạt vàng nano
(hình 1.1). Sự thay đổi màu sắc này là do hiệu ứng plasmon bề mặt tạo ra.

Hình 1.1. Màu sắc của các keo vàng nano theo kích thước hạt [126]
1.1.1. Tính chất cộng hƣởng plasmon bề mặt
Một trong những tính chất quan trọng của vàng nano là hiệu ứng plasmon bề
mặt (surface plasmon resonance: SPR). Chính nhờ tính chất này mà vàng nano được
ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong chẩn đoán và điều trị
ung thư [18], [39], [93].
5

Hình 1.2. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt [126]
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
electron bị dồn về một phía, gây ra sự phân cực (hình 1.2) [35], [126]. Sau đó, dưới
tác dụng của lực phục hồi Coulombic, 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 mây 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) [39],
[126]. Như vậy, hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt là sự kích thích các
electron tự do bên 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 bề mặt. Đối với hạt vàng nano,

dao động cộng hưởng plasmon dẫn tới sự hấp thụ mạnh của ánh sáng vùng khả
kiến. Điều này dẫn tới sự thay đổi lớn về màu sắc của dung dịch vàng nano. Số
lượng và vị trí của dãi plasmon phụ thuộc chủ yếu vào kích thước và hình thái của
hạt vàng nano. 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 plasmon bề mặt [35], [102].
6
* Sự phụ thuộc tính chất SPR vào hình thái và kích thƣớc của vật liệu
a) Vàng nano dạng cầu (gold nanoparticles: GNP)
Tính chất quang của vàng
nano dạng cầu có thể được tính
toán theo thuyết của Mie [81]. 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,
ông đã mô tả tính chất quang học
(tán xạ và hấp thụ) của vàng nano
dạng cầu ở bất kỳ kích thước nào.
Theo đó, đối với vàng nano dạng cầu, SPR xảy ra ở vùng khả kiến tại bước sóng
khoảng 520-540 nm (hình 1.3). 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.
b) Vàng nano dạng thanh (gold nanorods: GNR)
Đối với vàng nano dạng thanh, tính chất quang học có thể được hiểu rõ dựa vào
thuyết Gans [35], [81]. 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 (hình 1.4). 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 [31], [35], [81], [102]. Ngoài ra, bước sóng hấp thụ
cực đại của dao động LSPR còn phụ thuộc nhiều vào chỉ số khúc xạ của môi trường