Nghiên cứu chế tạo hạt nano cấu trúc lõi vỏ nhằm ứng dụng trong y - sinh

1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


NGUYỄN THỊ THÙY



NGHIÊN CƯ
́
U CHÊ
́
TA
̣
O HẠT NANO CẤU TRÚC
LÕI VỎ NHẰM ỨNG DỤNG TRONG Y – SINH




LUÂ
̣
N VĂN THA
̣
C SI
̃
VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

Hà Nội - 2012

2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



NGUYỄN THỊ THÙY


NGHIÊN CƯ
́
U CHÊ
́
TA
̣
O HẠT NANO CẤU TRÚC
LÕI VỎ NHẰM ỨNG DỤNG TRONG Y – SINH
Chuyên ngành: Vật liê
̣
u va
̀
linh kiê
̣
n Nano
M s: chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUÂ
̣
N VĂN THA
̣
C SI
̃
VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

NGƯƠ
̀
I HƯƠ
́
NG DÂ
̃
N KHOA HO
̣
C: PGS.TS. TRẦN HỒNG NHUNG
TS. NGHIÊM THỊ HÀ LIÊN



H Nội-2012

5
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 4
MỤC LỤC 5

MỞ ĐẦU 7
Chƣơng 1. TỔNG QUAN 9
1.1 Tổng quan về các hạt đa chức năng 9
1.1.1 Các hạt nano 9
1.1.2 Các hạt nano Fe
3
O
4
10
1.1.3 Các hạt nano Silica phát quang 11
1.1.4 Các hạt keo nano vàng 12
1.1.4 Hạt nano cấu trúc lõi vỏ (nanoshell) 14
1.2 Các phƣơng pháp chế tạo silica SiO
2
xốp bằng phƣơng pháp sol-gel 16
1.2.1 Quá trình sol-gel 16
1.2.2 Phƣơng pha
́
p Stober 17
1.2.3 Phƣơng pha
́
p micell 17
1.3 Hạt nanoshell Fe
3
O
4
@SiO
2
@Au 18
1.3.1 Phƣơng pháp tạo hạt Fe

3
O
4
@SiO
2
18
1.3.2 Phƣơng pháp phủ lớp Au 19
1.4 Đặc trƣng của hạt nano 20
1.4.1 Tính chất từ 20
1.4.2 Tính chất quang 21
1.4 Các ứng dụng của hạt nanoshell 24
1.4.1 Dẫn truyền thuốc 24
1.4.2 Làm giàu và phân tách chọn lọc tế bào 25
1.4.3 Phối hợp đốt nhiệt, quang nhiệt 25
Chƣơng 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 27
2.1 Chế tạo lớp bọc SiO
2
cho hạt nano từ để tạo hạt nano cấu trúc lõi vỏ 27
2.1.1 Hạt nano sắt từ Fe
3
O
4
27
2.1.2 Chế tạo hạt nano Fe
3
O
4
@SiO
2
28

2.1.3 Chế tạo hạt nano đa chức năng 34
2.1.4 Chế tạo hạt nano SiO
2
phát quang 35
2.2 Các phƣơng pháp khảo sát 36
2.2.1 Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 36
2.2.2 Phƣơng pháp từ kế mẫu rung (VSM) 37
2.2.3 Phƣơng pháp đo tán xạ ánh sáng động học (Dynamic Light Scattering -
DLS) 38
2.2.4 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X 39
6
2.2.5 Hấp thụ hồng ngoại 40
2.2.6 Phổ hấp thụ 41
2.2.7 Phổ huỳnh quang [1] 42
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44
3.1 Hạt nano Fe
3
O
4
@SiO
2
44
3.1.1 Phƣơng pháp Stober 44
3.1.2 Phƣơng pháp micell thuận 52
3.1.3 Phƣơng pháp micell đảo 58
3.2 Hạt nano đa chức năng 64
3.2.1 Hạt nano từ/silica/vàng Fe
3
O
4

@SiO
2
@Au 64
3.2.2 Hạt nano Fe
3
O
4
@SiO
2
chứa tâm mầu FITC 66
3.3 Hạt nano SiO
2
phát quang 68
3.4 Kết luận 68
KẾT LUẬN CHUNG 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO 71
7
MỞ ĐẦU
Các ứng dụng của công nghệ nano vào khoa học sự sống ngày càng đƣợc phát
triển rộng rãi, trong đó việc sử dụng các vật liệu nano trong các ứng dụng y-sinh nhƣ
tăng độ nhạy của chẩn đoán và điều trị hƣớng đích đang là một hƣớng nghiên cứu
đƣợc nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới và trong nƣớc quan tâm phát triển. Các vật
liệu nano sử dụng trong y-sinh gồm 5 loại chính: chấm lƣợng tử, các hạt kim loại, các
hạt nano từ, các hạt nano silica chứa tâm mầu hữu cơ và các hạt nano đất hiếm. Hiện
nay, công nghệ chế tạo các vật liệu nano đơn đã có đƣợc những thành tựu nhất định; 5
loại vật liệu kể trên đều đã có thƣơng phẩm rất đa dạng và các nghiên cứu đang tập
trung tìm các ứng dụng các loại vật liệu đơn này trong y-sinh. Tuy vậy, các ứng dụng
thƣờng là đơn chức năng. Mặt khác, vật liệu nano lý tƣởng dùng trong y-sinh phải là
vật liệu đa chức năng: cả chẩn đoán và cả điều trị; vừa dẫn đƣờng, vừa phát hiện và
mang thuốc. Do đó, các nghiên cứu về khoa học vật liệu đang hƣớng tới việc chế tạo

các vật liệu nano đa chức năng, thƣờng dƣới dạng các hạt nano có cấu trúc lõi vỏ. Đây
cũng là hƣớng phát triển tất yếu của vật liệu nano y-sinh.
Các hạt nano Fe
3
O
4
với nhiều đặc điểm lý thú, có rất nhiều ứng dụng trong đời
sống nhƣ: chất lỏng từ, chất bôi trơn, vật liệu hấp thụ sóng điện từ… (trong công
nghiệp), xử lý môi trƣờng: lọc nƣớc, thu hồi chất thải… và đặc biệt trong lĩnh vực Y-
Sinh học. Trong những năm gần đây, các hạt nanô từ đƣợc biết đến nhƣ những vật
mang thuốc và tạo môi trƣờng đốt nhiệt hiệu quả cho việc điều trị chọn lọc. Dựa trên
sự biến đổi của tính chất điện từ thông qua liên kết với tế bào bệnh, các hạt nanô từ
còn đƣợc biết đến nhƣ những vật liệu hỗ trợ chuẩn đoán thông minh.
Trong tất cả các ứng dụng đó, yêu cầu tính chất bắt buộc là các hạt nanô từ cần
phải đƣợc phân tán thành các hạt đơn lẻ, có độ đồng nhất cao. Mặc dù phần lớn các hạt
từ ôxit kim loại là các hạt bền, tuy nhiên ở kích thƣớc nanomet các hạt này vẫn chịu
tác động của môi trƣờng, vì vậy cần đƣợc bảo vệ để duy trì đƣợc các tính chất cần thiết
trong quá trình sử dụng. Một đặc điểm quan trọng khác là, khi tồn tại ở kích thƣớc
nanomet, các hạt nano từ có diện tích bề mặt rất lớn và sức căng bề mặt rất cao, xu
hƣớng tất yếu của các hệ hạt này kết tụ thành đám để giảm sức căng bề mặt. Vì vậy hạt
nano Fe
3
O
4
sau khi chế tạo không ổn định, dễ bị kết tụ, độc tính cao.
Trong khi đó hạt silica lại ổn định về cấu trúc, không độc, có khả năng tƣơng
thích sinh học cao, bên trong có nhiều lỗ xốp nên có thể đƣa tâm màu vào hạt. Bề mặt
của chúng cũng dễ dàng đƣợc chức năng hóa bằng nhóm -NH
2
, do đó có thể tạo thêm

lớp vàng Au bằng hấp phụ. Việc sử dụng Silica làm lớp vỏ có nhiều tác dụng nhƣ: bảo
vệ các hạt nano lõi, chống lại tác động của môi trƣờng. Đồng thời, các hạt nano khi
đƣợc bọc lớp bảo vệ thì dễ dàng phân tán trong các môi trƣờng khác nhau (tuỳ thuộc
bản chất có cực hay không có cực của lớp vỏ bảo vệ). Hơn thế nữa, đối với các ứng
8
dụng trong y sinh, lớp bảo vệ này còn đóng vai trò nhƣ một lớp trung gian liên kết
giữa hạt với các hợp chất chức năng hoá bề mặt để có thể gắn kết với các phân tử sinh
học hoặc với các hợp chất thuốc.
Sử dụng các phƣơng pháp thích hợp, một số lƣợng lớn tâm màu (hữu cơ hoặc
vô cơ) có thể đƣa vào trong hoặc gắn lên bề mặt của một hạt nano silica đơn (từ hàng
chục tới hàng nghìn phân tử màu). Do đó các hạt nano silica chứa tâm màu có độ chói
và khuếch đại tín hiệu quang cao gấp nhiều lần so với phân tử màu đơn lẻ. Nếu lựa
chọn các ứng dụng phân tích sinh học thích hợp, các hạt nano silica có thể tạo ra
những cải thiện đáng kể trong độ nhạy phân tích. Hơn nữa, do bị cầm giữ trong nền
silica, các tâm màu đƣợc bảo vệ khỏi các ảnh hƣởng của môi trƣờng cũng nhƣ tác
động trực tiếp của ánh sáng nên phân hủy quang cũng đƣợc giảm thiểu. Độ bền quang
cao cho phép các hạt nano silica đƣợc sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi cƣờng độ
kích thích mạnh trong thời gian dài.
Với lớp vỏ Au kim loại, hạt nano dễ dàng hoạt hóa để gắn kết với các phân tử
sinh học nhƣ amino acid, protein, enzyme, DNA và các phân tử thuốc thông qua các
hợp chất có chứa nhóm –SH.
Phối hợp các vật liệu đơn: từ, kim loại vàng, silica và silica chứa mầu sẽ cho các
hạt nano cấu trúc lõi/vỏ đa lớp đa chức năng sử dụng trong cả chẩn đoán và cả điều trị;
vừa dẫn đƣờng, vừa phát hiện và mang thuốc, vừa làm giàu, phân tách và chọn lọc tế
bào, vừa sử dụng phƣơng pháp đốt nhiệt và quang nhiệt.
Vì vậy, mục tiêu chính của luận văn này là nghiên cứu chế tạo lớp vỏ bọc SiO
2

cho hạt nano từ Fe
3

O
4
để tạo hạt nano cấu trúc lõi/vỏ Fe
3
O
4
@SiO
2
, trên cơ sở đó tiến
tới chế tạo hạt đa chức năng Fe
3
O
4
@SiO
2
@Au và Fe
3
O
4
@SiO
2
phát quang định hƣớng
ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học. Luận văn sẽ trình bày các phƣơng pháp chế tạo
hạt nano Fe
3
O
4
@SiO
2
cấu trúc lõi vỏ bằng các phƣơng pháp micell thuận, micell đảo

và Stober. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tới sự hình thành và kích thƣớc hạt nhƣ
lƣợng sắt từ, lƣợng xúc tác NH
4
OH Sử dụng các hạt Fe
3
O
4
@SiO
2
chế tạo bằng
phƣơng pháp micell thuận để thử nghiệm chế tạo hạt nano đa chức năng
Fe
3
O
4
@SiO
2
@Au. Sử dụng các hạt Fe
3
O
4
@SiO
2
chế tạo bằng phƣơng pháp Stober để
thử nghiệm chế tạo hạt nano Fe
3
O
4
@SiO
2

phát quang
Luận văn gồm 3 chƣơng đƣợc bố cục nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Các phƣơng pháp thực nghiệm
Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận

9
Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về các hạt đa chức năng
1.1.1 Các hạt nano
Hạt nano là vật liệu có kích thƣớc từ vài đến vài trăm nanomet, bao gồm hàng
trăm đến hàng nghìn nguyên tử giống nhau. Do kích thƣớc nhỏ nên các tính chất hóa
lý của chúng bị phụ thuộc nhiều vào trạng thái bề mặt hơn là thể tích khối. So với vật
liệu khối thì vật liệu có kích thƣớc nanomet có nhiều tính chất mới và lạ:
Thứ nhất là hiệu ứng bề mặt: Khi vật liệu có kích thƣớc nhỏ thì tỉ số giữa số
nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu tăng lên. Hiện tƣợng này rất
quan trọng bởi vì phần lớn ứng dụng của vật liệu chỉ liên quan tới bề mặt bên ngoài
của vật liệu (chất xúc tác trong các phản ứng hóa học, tƣơng tác hóa học, sự hoạt hóa
của thuốc chữa bệnh…), còn bên trong vật liệu có vai trò rất ít nên khi sử dụng vật liệu
có kích thƣớc nano sẽ tiết kiệm rất nhiều nguyên liệu so với vật liệu khối, hiệu suất sử
dụng vật liệu cao hơn và chất thải ít đi.
Thứ hai là hiệu ứng kích thước: hiệu ứng kích thƣớc của vật liệu nano làm cho
vật liệu này trở nên mới lạ hơn nhiều so với vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu,
mỗi một tính chất của vật liệu đều có một độ dài đặc trƣng. Hầu hết độ dài đặc trƣng
đều rơi vào kích thƣớc nanomet. Ở vật liệu khối, kích thƣớc vật liệu lớn hơn nhiều lần
độ dài đặc trƣng dẫn đến các tính chất vật lí đã biết. Nhƣng khi kích thƣớc của vật liệu
có thể so sánh đƣợc với độ dài đặc trƣng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc
trƣng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trƣớc đó. Ở đây không có
sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano.
Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của

vật liệu đó. Cùng một vật liệu nếu nó ở hai kích thƣớc khác nhau (vật liệu khối và kích
thƣớc nanomet) thì tính chất của vật liệu đó có thể thay đổi hoàn toàn về màu sắc, độ
cứng, khả năng chịu nhiệt… Chẳng hạn nhƣ vàng, nếu ở vật liệu khối thì nó có màu
vàng nhƣng khi kích thƣớc giảm xuống nano thì có màu đỏ. Không cần thay đổi thành
phần hóa học mà có thể thay đổi đƣợc tính chất của vật liệu điều này chỉ có ở vật liệu
nanomet, không có ở vật liệu khối.
Thứ ba là hiệu ứng kích thước lượng tử: Các hệ bán dẫn thấp chiều là những hệ
có kích thƣớc theo một, hai hoặc cả ba chiều có thể so sánh với bƣớc sóng De Broglie
của các kích thƣớc cơ bản trong tinh thể. Trong các hệ này, các kích thƣớc cơ bản (nhƣ
điện tử, lỗ trống, exciton) chịu sự ảnh hƣởng của sự giam giữ lƣợng tử khi chuyển
động bị giới hạn dọc theo trục bị giam giữ. Hiệu ứng giam giữ lƣợng tử đƣợc quan sát
thông qua sự dịch đỉnh về phía sóng xanh trong phổ hấp thụ với sự giảm kích thƣớc
10
hạt. Khi kích thƣớc hạt giảm tới gần bán kính Bohr exciton, thì có sự thay đổi mạnh
mẽ về cấu trúc điện tử và các tính chất vật lý .
Các vật liệu ứng dụng trong sinh học phải đƣợc đáp ứng các yêu cầu về các tính
chất dƣợc lý, hóa học, vật lý, độ đồng nhất và khả năng phân tán của các hạt…và phải
có tính độc thấp. Mặt khác, các hạt nano phải có kích thƣớc đủ nhỏ để có thể dễ dàng
khuếch tán qua mô, thời gian lắng đọng dài, diện tích bề mặt hiệu dụng cao; các hạt
nano phải đƣợc bọc để bảo vệ chúng khỏi tác động của môi trƣờng và có khả năng
tƣơng thích sinh học với môi trƣờng…
1.1.2 Các hạt nano Fe
3
O
4

Hạt ôxit từ Fe
3
O
4

có cấu trúc tinh thể ferit lập phƣơng cấu trúc spinel đảo, thuộc
nhóm đối xứng F
d3m
, hằng số mạng a = b = c = 0.8396 nm. Số phân tử trong một ô cơ
sở Z = 8, gồm 56 nguyên tử trong đó có 8 ion Fe
2+
, 16 ion Fe
3+
và 32 ion O
2-
.
Bán kính của nguyên tử Oxy lớn (cỡ 1.32A
0
), do đó ion O
2-
trong mạng hầu nhƣ
nằm sát nhau tạo thành một mạng lập phƣơng tâm mặt [9]. Cấu trúc spinel có thể xem
nhƣ đƣợc tạo ra từ mặt phẳng xếp chặt của các ion O
2-
với các lỗ trống tứ diện và bát
diện đƣợc lấp đầy bằng các ion kim loại. Oxít sắt từ Fe
3
O
4


FeO.Fe
2
O
3

là một ferít
cấu trúc spinel đảo điển hình. Trong đó, một nửa các ion Fe
3+
nằm ở các lỗ trống tứ
diện và một nửa thì nằm ở các lỗ trống bát diện. Còn các ion Fe
2+
nằm ở các lỗ trống
bát diện còn lại. Ở các lỗ trống tứ diện một ion Fe
3+
liên kết với 4 ion O
2-
và ở các lỗ
trống bát diện, một ion Fe
2+
hoặc Fe
3+
liên kết với 6 ion O
2-
(Hình 1.1). Sự phân bố này
phụ thuộc vào bán kính các ion kim loại, sự phù hợp cấu hình electron của các ion kim
loại và ion O
2-
và năng lƣợng tĩnh điện của mạng.



Hình 1.1. Vị trí tứ diện và bát diện
Hình 1.2. Cấu trúc spinel đảo của Fe
3
O

4

Hai loại oxit sắt đƣợc ứng dụng nhiều trong y sinh học là magnemite và
magnetite. Magnetite (Fe
3
O
4
) có công thức hoá học của Fe
3
O
4
đƣợc viết dƣới dạng:
Fe
2+
O
2-
- (Fe
3+
)
2
(O
2-
)
3
. Trong đó, các ion Fe tồn tại ở cả hai trạng thái hoá trị 2+ và hoá
trị 3+ với tỉ số thành phần là 1 và 2. Magnemite (-Fe
2
O
3
) có cấu trúc tinh thể ferit lập

phƣơng giống Fe
3
O
4
nhƣng không có ion hoá trị 2, thuộc nhóm đối xứng
32
4
3
P
, hằng
Vị trí tứ diện
Vị trí bát diện
Oxy
Fe
11
số mạng a = b = c = 0.83474 nm, tồn tại 8 phân tử trong một ô cơ sở. Magnemite có
tính chất từ giống magnetite nhƣng có độ ổn định hoá học cao hơn[23].
Nếu kích thƣớc của hạt sắt từ giảm đến một giá trị nào đó, tính sắt từ và ferri từ
biến mất, chuyển động nhiệt sẽ thắng thế và làm cho vật liệu trở thành vật liệu siêu
thuận từ. Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dƣ và lực kháng từ bằng không. Ở trạng thái
siêu thuận từ vật liệu hƣởng ứng mạnh với từ trƣờng ngoài nhƣng khi không có từ
trƣờng hạt nano ở trạng thái mất từ tính hoàn toàn.
Dựa trên những đặc tính vật lý, hóa học, nhiệt học và cơ học, các hạt nano siêu
thuận từ mở ra tiềm năng lớn cho những ứng dụng y sinh nhƣ làm tác nhân tăng độ
tƣơng phản và chọn lọc tế bào, hiệu ứng đốt nhiệt và phân phát thuốc. Tất cả các ứng
dụng trên đòi hỏi hạt nano từ phải có từ độ bão hòa lớn, tƣơng thích sinh học và đƣợc
chức năng hóa bề mặt. Trong khi đó, đặc điểm của hạt nano từ sau khi chế tạo là: diện
tích bề mặt lớn, sức căng bề mặt cao, không ổn định dễ bị kết tụ, độc tính cao. Hạt từ
có điểm đẳng điện là ở pH = 7 nên độ ổn định của Fe
3

O
4
trong dung dịch khó hơn [4].
Bề mặt của các hạt từ này đƣợc cải biến thông qua việc bọc một vài lớp nguyên tử của
các polimer hữu cơ, kim loại, các oxit vô cơ nhƣ SiO
2
, Al
2
O
3
… Các polymers có
nguồn gốc tự nhiên nhƣ gelatin, dextran, chitosan… Polymer tổng hợp nhƣ
poly(vinylpyrrolidone) (PVP), poly(ethyleneglycol) (PEG), poly(vinyl alcohol)
(PVA), polystyrene (PS)… polymer vô cơ nhƣ các oxide của silica và titania. Chất
hoạt động bề mặt nhƣ oleic, alkyl phosphonates và phosphates, sulfonates [8].
Các hạt nano từ đƣợc bọc một lớp chất hoạt động bề mặt có thể phân tán trong
dung môi đồng nhất gọi là chất lỏng từ. Ngoài chức năng bảo vệ phần lõi, lớp vỏ còn
làm giảm độc tố của hạt từ và dễ dàng chức năng hóa bằng việc gắn các phân tử có
hoạt tính sinh học khác nhau. Mặt khác, để phối hợp hạt nano từ với các thành phần
khác tạo cấu trúc lõi-vỏ đa chức năng (multimodal) thì phƣơng thức chủ yếu đƣợc sử
dụng là bọc hạt nano từ bằng một lớp silica, sau đó tạo một lớp các thành phần chức
năng khác nhƣ vàng, tâm mầu hoặc chấm lƣợng tử trên lớp silica đó để tạo thành hạt
đa lớp, đa chức năng.
1.1.3 Các hạt nano Silica phát quang
Hạt nano silica có ch ứa nhiều lỗ xốp nên chúng ta có thể đƣa tâm màu nhƣ
FITC, RB để trở thành hạt nano phát quang. Chất màu có thể đƣợc gắn trên bề mặt
hoặc đƣa vào bên trong hạt nano silica. So với các chất màu hữu cơ thì các hạt nano
này có độ bền quang cao hơn vì nền polymer và silica bảo vệ các chất màu hữu cơ
khỏi oxy hoá và phân hủy quang. Độ chói của tín hiệu huỳnh quang của của các hạt
nano silica có thể đƣợc điều khiển bằng số phân tử chất màu trong mỗi hạt với mật độ

chất màu lớn nhất đƣợc giới hạn chỉ bởi sự dập tắt huỳnh quang. Vì vậy, hạt nano
12
silica có thể có độ bền quang tƣơng đối tốt và không nhấp nháy. Nhƣ
̃
ng ƣu điê
̉
m nô
̉
i
bâ
̣
t na
̀
y la
̀
m cho chúng có ứng dụng rất lớn trong phân tích sinh học.

Hình 1.3. Các cách ph bin đ kt hợp tâm màu vào các ht nano silica

Hình 1.4. Sư
̣
pha
́
t xa
̣
huy
̀
nh quang cu
̉
a ca

́
c ha
̣
t nano silica chư
́
a ca
́
c loi tâm ma
̀
u kha
́
c
nhau
Ngoài ra, các hạt silica dễ dàng tạo đơn hạt hơn trong quá trình chế tạo. Hơn
nữa, các hạt silica với nhóm –OH trên bề mặt có thể tham gia phản ứng hoá học để tạo
các nhóm chức có khả năng liên kết đặc hiệu với các phân tử sinh học nhƣ la
̀
amin (-
NH
2
), carboxyl (-COOH) hay thiol (-SH). Vì vậy, các hạt si lica nằm trong thế hệ các
chất đánh dấu sinh học mới đƣơ
̣
c s ử dụng rộng rãi trong các phân tích và đánh dấu
sinh học.
1.1.4 Các hạt keo nano vàng
Các hạt keo vàng là các hạt có kích thƣớc cỡ dƣới micromet lơ lửng trong chất
lỏng. Nhờ vào các màu sắc sặc sỡ của dung dịch vàng, tùy thuộc vào hình dạng và kích
thƣớc hạt, ngƣời ta có thể chế tạo ra các dung dịch với màu sắc khác nhau theo ý muốn
bằng cách khống chế hình dạng và kích thƣớc hạt.

Sự phụ thuộc màu sắc của các dung dịch vàng vào kích thƣớc và hình dạng hạt
đƣợc giải thích bằng sự hấp thụ và tán xạ của sóng điện từ trên bề mặt các hạt kim loại
hình cầu (Mie, 1908) – hấp thụ và tán xạ của plasmon.
13

Hình 1.5. Các phép phân tích ngày nay cho thấy các màu sắc các ht nano vàng phụ
thuộc vào kích thước của chúng [15]
Đặc tính ƣu việt của các hạt nano vàng là ổn định về cấu trúc, không độc, có
khả năng tƣơng hợp sinh học cao và nhất là chúng dễ dàng hoạt hoá để gắn kết với các
phân tử sinh học nhƣ amino acid, protein, enzyme, DNA và các phân tử thuốc thông
qua các chất có chứa nhóm –SH. Với các đặc tính hoá học bề mặt đặc thù này, các
nghiên cứu đang tập trung sử dụng hạt nano vàng làm tâm mang cho các hệ thống
phân phối thuốc nano, ứng dụng cho chữa trị một số bệnh nhƣ ung thƣ, đái tháo
đƣờng Về khía cạnh vật lý, nhờ vào hiệu ứng plasmon cộng hƣởng nên các hạt nano
vàng có thiết diện tắt (hấp thụ và tán xạ) rất mạnh trong vùng nhìn thấy, các hạt nano
vàng đƣợc sử dụng nhiều trong các thí nghiệm theo dõi đơn phân tử và hiện ảnh các tế
bào ung thƣ. Với khả năng hấp thụ và tán xạ trải tới vùng hồng ngoại gần của các hạt
nano đó, ngƣời ta có thể tạo ảnh in vivo sâu trong cơ thể (10 cm) để phát hiện và tiêu
diệt các khối ung thƣ bằng liệu pháp quang nhiệt.
Xu hƣớng thế giới hiện nay là dùng các hạt nano vàng cấu trúc lõi vỏ: lõi là các
hạt nano từ hoặc nano silica, vỏ là lớp nano vàng hoặc ngƣợc lại để đa dạng hoá các
chức năng của các hạt nano. Một hạt nano cấu trúc lõi vỏ nhƣ vậy có thể vừa làm chất
đánh dấu hiện ảnh, vừa mang thuốc hƣớng đích và vừa điều trị chọn lọc bằng hoá học
(thuốc nhả chậm) kết hợp với vật lý trị liệu (đốt từ, quang nhiệt, chiếu xạ….). Tuỳ
thuộc vào tính chất của từng loại ung thƣ (trên bề mặt nhƣ ung thƣ da hay nằm trong
cơ thể nhƣ ung thƣ vú…) ngƣời ta thiết kế và sử dụng loại hạt nano có cấu trúc thích
hợp nhằm nâng cao hiệu quả của việc chẩn đoán và điều trị.
14
lo
core

1.1.4 Hạt nano cấu trúc lõi vỏ (nanoshell)
Hạt nano đa lớp bao gồm các hạt nano có cấu trúc 2 lớp, 3 lớp…Ví dụ: những
hạt có lõi điện môi, vỏ là kim loại quý; những hạt có lõi là vật liệu từ (sắt từ), vỏ là lớp
kim loại quý; hoặc những hạt nano lớp trong cùng là vật liệu từ, lớp tiếp theo là lõi
điện môi và vỏ ngoài là lớp vỏ kim loại mỏng. Hạt nanoshell đã nhận đƣợc sự chú ý
đáng kể trong những năm gần đây vì tiềm năng ứng dụng của chúng. Những vật liệu
này cho một loạt các ứng dụng nhƣ đánh dấu chẩn đoán huỳnh quang, xúc tác, nâng
cao độ tƣơng phản hình ảnh, tạo tinh thể quang tử, trị liệu và phân phối thuốc, điều trị
quang nhiệt….
Các hạt nanoshell kim loại đầu tiên đƣợc phát triển bởi Shou bao gồm một lõi
điện môi Au
2
S đƣợc bao quanh bởi một lớp vỏ vàng. Tuỳ thuộc vào kích thƣớc của
các hạt nano, các đỉnh cộng hƣởng plamon có thể thay đổi trong dải rộng từ vùng nhìn
thấy tới các bƣớc sóng dài tới 900nm.


Hình 1.6. Cấu trúc ht lõi điện môi vỏ kim loi
Hạt nanoshell có thể có cấu trúc đa dạng, nhƣng thông thƣờng gồm có hai thành
phần chính là lõi và vỏ. Hình dạng và các tính chất của của các hạt lõi/vỏ, theo lý
thuyết cho thấy có thể đƣợc điều chỉnh bằng cách khống chế các thành phần và các
thông số chế tạo. Dƣới đây là một số dạng hạt nanoshell thƣờng gặp.

a, b, c, d,
Hình 1.7. Các dng nanoshell: a)ht nano chứa nhiều nhân giống nhau
b) Ht nano chứa nhiều nhân khác nhau
c ) Ht nano chứa một lõi đồng nhất
d) Ht nano được bao quanh bởi nhiều lớp vỏ .
15

Trong các dạng này, vật liệu chọn làm lõi/vỏ, tỉ lệ và kiểu liên kết lõi/vỏ là các
yếu tố cơ bản để tạo ra các cấu trúc khác nhau của hạt nanoshell. Việc lựa chọn các
thành phần để làm lõi và vỏ đƣợc tiến hành phụ thuộc vào các tính chất mong muốn
của sản phẩm cuối cùng, hƣớng áp dụng và quy trình chế tạo. Có rất nhiều vật liệu hữu
cơ hay vô cơ để làm lõi đã đƣợc sử dụng chẳng hạn nhƣ chất keo, các bon hoạt hóa các
hợp chất hữu cơ, các chất xúc tác, dƣợc phẩm và thuốc, các chất tƣơng phản sử dụng
trong việc chuẩn đoán, các enzyme hoạt hóa Tỉ lệ lõi/vỏ là một yếu tố quan trọng
quyết định tính chất của hạt nanoshell. Việc điều chỉnh cả hai thông số độ dày của vỏ
và tỉ lệ lõi/vỏ là rất quan trọng đối với việc chế tạo hạt nano. Chẳng hạn, độ dày vỏ
thƣờng tác động đến tính chất đặc trƣng của phần lõi, sự giải phóng của chất hoạt tính
làm thay đổi thời gian tồn tại của sản phẩm cuối cùng. Kiểu liên kết lõi/vỏ có thể có
nhiều dạng, theo kiểu liên kết hóa học hay liên kết tĩnh điện.
Một trong các dạng nanoshell đang có xu hƣớng phát triển mạnh là loại cấu trúc
lõi là các hạt nano kim loại nhƣ sắt từ, Au, Ag…và vỏ là các chất khác với các chức
năng khác nhƣ: từ/vàng, từ/vàng/chất huỳnh quang, vàng/chấm lƣợng tử, từ/chấm
lƣợng tử…. Các cấu trúc nhƣ trên có vai trò thực hiện đa chức năng (multimodal) nhƣ
làm giàu/hiện ảnh, trị liệu nhiệt/quang nhiệt, trị liệu/hiện ảnh, làm giầu/hiện ảnh, đốt
nhiệt/quang nhiệt/hiện ảnh… Luận văn chỉ tập trung tìm hiểu hạt nano đa lớp với lõi
trong cùng là hạt nano từ bọc lớp điện môi silica SiO
2
phủ lớp vỏ vàng và lõi từ bọc
lớp silica có chứa chất mầu.

Hình 1.8. Cấu trúc ht nanoshell A) ht silica bọc từ ; B) ht silica bọc từ phủ lớp
vàng [19]
Để chế tạo đƣợc các cấu trúc nhƣ vậy thì phƣơng pháp chủ yếu là bọc các cấu
trúc nano kim loại lõi bằng silica, sau đó tạo lớp vỏ khác trên lớp silica. Trong trƣờng
hợp này, bề mặt của lớp silica sau đó đƣợc biến đổi hóa học để có các nhóm chức năng
nhƣ amin (NH
2

) hoặc thiol (-SH), sau đó lớp vỏ sẽ đƣợc gắn lên bề mặt silica thông
qua các nhóm chức năng đó bằng liên kết hóa trị hoặc hấp phụ.
Từ khoảng hơn mƣời năm trở lại đây, việc bọc các hạt nano kim loại bằng
silica đã trở thành ngày càng quan trọng bởi các ứng dụng trong xúc tác cũng nhƣ
trong y sinh, bắt đầu từ các công trình của Liz-marzan và các cộng sự từ năm 1996.
Khi đƣợc bọc SiO
2
, việc sử dụng các hạt nano kim loại trở nên hiệu quả hơn và phong
phú hơn nhờ các tính chất đặc biệt của silica nhƣ dễ dàng biến đổi hóa học bề mặt, tính
16
tƣơng hợp sinh học cao, khống chế đƣợc độ xốp và độ trong suốt cao. Hiện nay, việc
bọc vỏ silica lên các cấu trúc nano kim loại đang là khâu mấu chốt cho sản xuất đại trà
nhằm thƣơng mại hóa các sản phẩm nano.
1.2 Các phƣơng pháp chế tạo silica SiO
2
xốp bằng phƣơng pháp sol-gel
1.2.1 Quá trình sol-gel
Quá trình sol-gel bao gồm 2 loại phản ứng chính là phản ứng thủy phân và
phản ứng ngƣng tụ.
a) Phản ứng thuỷ phân
Phản ứng thủy phân thay thế nhóm alkoxide (–OR) trong liên kết kim loại
alkoxide bằng nhóm hydroxyl (–OH) để tạo thành liên kết kim loại hydroxyl.



Phản ứng này xảy ra qua nhiều giai đoạn. Các hợp chất trung gian với 1, 2 và 3
nhóm -OH đƣợc hình thành liên tiếp bởi phản ứng sau ở dạng:
R’-Si(OR)
3-x
(OH)

x
+ H
2
O R-Si(OR)
2-x
(OH)
x+1
+ ROH (1.2)
Trong đó x là 0, 1 và 2
Các thông số ảnh hƣởng chủ yếu đến quá trình thủy phân là pH, bản chất và
nồng độ của chất xúc tác, nhiệt độ, dung môi, tỉ số H
2
O/ precusor.
b) Phản ứng ngưng tụ.
Phản ứng ngƣng tụ cũng xảy ra theo cơ chế thế nucleophine lƣỡng phân tử SN2
xảy ra hoặc do sự loại ra một phân tử nƣớc do phản ứng giữa hai nho
́
m silanol hoặc do
loại ra một phân tử rƣợu do phản ứng giữa nho
́
m silanol và nho
́
m al koxit. Giai đoạn
ngƣng tụ này nhằm tạo ra cầu liên kết siloxane (≡ Si-O-Si ≡), đo
́
là một đơn vị cơ bản
của polime vô cơ.

c) Kết hợp và gel hoá.
Các quá trình ngƣng tụ liên tiếp tạo ra các hạt polime nhỏ là các đa diện đơn vị

nhỏ khoảng chục nguyên tử silica đƣợc liên kết bởi các cầu siloxanne [≡ Si-O-Si ≡].
Quá trình này đƣợc mô tả bằng hai phƣơng trình 1.5 và 1.6.
R’
RO
OR
OR
Si
R’
HO
OH
OH
Si
+
3 H
2
O
+
3ROH
(1.1)
17

1.2.2 Phƣơng pha
́
p Stober
Phƣơng pháp Stober đƣợc phát minh đầu tiên vào năm 1968 bởi nhà khoa học
tên là Werner Stober, trƣờng đại học Rochester, New York. Phƣơng pháp này đƣa ra
quy trình tổng hợp hạt silica đơn phân tán bằng quá trình sol-gel, tức là phản ứng thủy
phân và ngƣng tụ của các silicon alkoxyde đƣợc pha loãng ở nồng độ thấp trong dung
môi nƣớc và chất đồng dung môi nhƣ acetone, ethanol, propanol và n-butanol hoặc
trong hỗn hợp các rƣợu cũng nhƣ trong các ête với xúc tác là ammonia ở pH cao.

Trong điều kiện loãng cao của các precursor, các hạt silica hình thành thay thế cho các
mạng gel rắn. Kích thƣớc hạt có thể điều khiển trong khoảng từ 50nm tới 2µm bằng
cách thay đổi nồng độ ammonia và tỷ lệ alkoxyde và nƣớc [21].
Phản ứng thủy phân và ngƣng tụ có thể viết ngắn gọn dƣới dạng sau:
Phản ứng thủy phân:
Si(OC
2
H
5
)
4
+ 4H
2
O → Si(OH)
4
+ 4C
2
H
5
OH (1.7)
Phản ứng ngƣng tụ:
Si(OH)
4
→ SiO
2
+ 2H
2
O (1.8)
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là tƣơng đối đơn giản, không cần dùng chất hoạt
động bề mặt cũng nhƣ dung môi sử dụng không độc và dễ dàng thay đổi. Hạn chế của

phƣơng pháp Stober đó là các hạt nano silica không đồng đều, đa phân tán và dính vào
nhau, khó tạo ra các hạt nano silica kích thƣớc nhỏ dƣới 100 nm. Dựa trên cơ sở của
quá trình thủy phân và ngƣng tụ, chúng ta có thể chế tạo hạt nanoshell Fe
3
O
4
@SiO
2

bằng phƣơng pháp Stober.
1.2.3 Phƣơng pha
́
p micell
Micell là hệ gồm 3 thành phần: chất hoạt động bề mặt, nƣớc và dung môi.
Trong đó, chất hoạt động bề mặt là chất mà phân tử có hai đầu gồm một đầu kỵ nƣớc
và một đầu ƣa nƣớc. Do đó, tùy thuộc vào pha của hệ là nhiều nƣớc hay nhiều dung
môi mà sẽ hình thành các hệ micell thuận hay đảo.
18

Hình 1.9. Các hệ micell a. Hệ micell thuận. b. Hệ micell đảo[10]
Trong hệ micell thuận hay còn gọi là vi nhũ dầu trong nƣớc (oil in water) thì
đầu ƣa nƣớc của chất hoạt động bề mặt quay ra ngoài, đầu kỵ nƣớc quay vào trong,
môi trƣờng bên ngoài là nƣớc, trong micell là dung môi. Ngƣợc lại hệ micell đảo hay
vi nhũ nƣớc trong dầu (water in oil) thì đầu kỵ nƣớc quay ra ngoài, đầu ƣa nƣớc quay
vào trong, môi trƣờng bên trong vi nhũ là nƣớc, bên ngoài dung môi.
Ngƣời ta sử dụng các hệ vi nhũ này để chế tạo các hạt nano, trong đó các hệ
micell chính là các trung tâm phản ứng nano (nanoreactor). Các quá trình thủy phân và
ngƣng tụ của precursor silic (ví dụ nhƣ: TEOS, MTEOS) sẽ xảy ra trong lòng các hệ
micell này. Ứng với hai hệ micell thuận và đảo ta có hai phƣơng pháp chế tạo tƣơng
ứng là phƣơng pháp micell thuận và phƣơng pháp micell đảo . Kích thƣớc của hạt nano

đƣợc xác định bởi bản chất của chất hoạt động bề mặt , loại và lƣợng precursor , tỷ lệ
dung môi/nƣơ
́
c, xúc tác…
Hai phƣơng pháp chế tạo micell thuận va
̀
micell đa
̉
o co
́
mô
̣
t số ƣu nhƣơ
̣
c điê
̉
m
sau: phƣơng pha
́
p micell thuận đơn gia
̉
n hơn , các ha
̣
t nano phân tán trong nƣớc ngay
sau khi chế ta
̣
o và dung môi la
̀
nƣơ
́

c hoă
̣
c ethanol không đô
̣
c . Phƣơng pha
́
p micell đa
̉
o
có môi trƣờng là dung môi kỵ nƣớc , vì vậy sau khi chế tạo cần thêm một bƣớc làm các
hạt nano phân tán trong nƣơ
́
c . Các ha
̣
t chế ta
̣
o bằng phƣơng pha
́
p micell đa
̉
o thƣờng
đồng đều cao về kích thƣớc , đơn phân ta
́
n (monodisperse). Còn các hạt chế tạo bằng
phƣơng pha
́
p micell thuận thƣờng không đồng đều va
̀
đa phân ta
́

n (polydisperse), dính
vào nhau. Ngƣời ta cũng chế tạo đƣợc các hạt nanoshell cấu trúc từ/silica/vàng hoặc
từ/silica chứa chất mầu bằng phƣơng pháp micell.
1.3 Hạt nanoshell Fe
3
O
4
@SiO
2
@Au
1.3.1 Phƣơng pháp tạo hạt Fe
3
O
4
@SiO
2

Sự ổn định (stability) của các vật liệu nano từ là rất quan trọng khi nghiên cứu từ
tính của chúng. Để cải thiện các đặc trƣng bề mặt và bảo vệ chúng khỏi phản ứng với
các tác nhân khác (để tạo oxit sắt, vì tất cả các oxit sắt không có từ tính), các vật liệu
nano từ Fe
3
O
4
đƣợc bọc với các vật liệu trơ. Silica thƣờng hay đƣợc chọn nhất vì lớp
19
bọc đó tạo sự ổn định và đơn phân tán cho các hạt nano từ. Lớp silica không có từ tính,
vì thế không làm ảnh hƣởng đến tính chất từ của lõi. Mặt khác, lớp silica dễ dàng biến
đổi hóa học bề mặt để tạo các nhóm chức năng nhằm đƣa tiếp một lớp vỏ lên mặt hạt
tạo hạt đa chức năng.

Sự hình thành hạt nano Fe
3
O
4
@SiO
2
là quá trình cạnh tranh giữa cấu tạo hạt
nhân và quá trình mọc (ngƣng tụ lên trên hạt sắt từ). Hạt silica có xu hƣớng bao phủ
lên hạt sắt từ khi tốc độ ngƣng tụ lớn hơn nhiều tốc độ thủy phân. Hạt nano Fe
3
O
4

đƣợc bao phủ bởi lớp SiO
2
theo liên kết Fe-O-Si [6]. Độ dày của lớp vỏ SiO
2
có thể
điều khiển bởi lƣợng xúc tác, hoặc nồng độ của các precursor và Fe
3
O
4
.
1.3.2 Phƣơng pháp phủ lớp Au
Quá trình phát triển lớp vỏ lên hạt silica là quá trình phủ lớp mỏng lên trên một
bề mặt hạt nano và kết hợp nhiều quá trình hóa học trong một dung dịch keo: tự lắp
ráp hóa học tiếp theo là mạ không điện ly.

Hình 1.10. Các trng thái trong quá trình phát trin lớp vỏ vàng lên ht silica
Hạt nano vàng kích thƣớc nhỏ 1-2 nm đƣợc đƣa vào một dung dịch silica là

dung dịch mạ kim loại không điện ly, ở đó kim loại có thể bị khử trên bề mặt của hạt
silica. Quá trình này tạo ra một vỏ kim loại đồng nhất trên lõi điện môi, với độ dày
khác nhau, từ trong khoảng từ 5 đến 20 nm. Phƣơng pháp này cho phép điều chỉnh độ
dày lớp vỏ với độ chính xác tới từng nanomet, và do đó cho phép điều chỉnh các tính
chất quang học của nanoshell. Phụ thuộc vào lõi và chiều dày lớp vỏ kim loại khác
nhau mà có thể tạo ra dung dịch nanoshell với màu sắc khác nhau (Hình 1.11) [18]

Hình 1.11. Các dung dịch nanoshell to ra với các mầu sắc khác nhau
20
1.4 Đặc trƣng của hạt nano
1.4.1 Tính chất từ
Fe
3
O
4
là vật liệu sắt từ. Vật liệu sắt từ là vật liệu có mômen từ tự phát ngay cả
khi không có từ trƣờng ngoài. Trong vật liệu sắt từ, các moment từ nguyên tử tƣơng
tác với nhau, dẫn đến việc hình thành trong lòng vật liệu các vùng gọi là đômen từ. Ở
dƣới nhiệt độ Curie, trong các đômen, các mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song với
nhau, tạo nên từ độ tự phát của vật liệu.
Khi không có từ trƣờng, năng lƣợng dao động nhiệt làm cho mômen từ sắp xếp
hỗn độn, do đó từ độ tổng cộng của toàn khối bằng 0. Khi đặt trong từ trƣờng, các
mômen từ có xu hƣớng sắp xếp song song với hƣớng từ trƣờng ngoài, quá trình này
đƣợc gọi quá trình từ hóa. Quá trình này đƣợc đặc trƣng bằng đƣờng cong từ trễ (hình
1.12), thông qua đó ngƣời ta xác định đƣợc các thông số chính của vật liệu sắt từ nhƣ:
- Từ độ bão hòa M
s
: từ độ đạt đƣợc khi tất cả các mômen từ sắp
xếp song song với từ trƣờng ngoài.
- Độ từ dƣ M

r
: giá trị từ độ khi từ trƣờng trở về giá trị 0.
- Lực kháng từ H
c
: giá trị từ trƣờng ngoài cần thiết để khử mômen
từ của mẫu.
- Năng lƣợng (BH)
max
: năng lƣợng từ cực đại.

Hình 1.12. Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ
Nhƣ vậy, ở kích thƣớc nhỏ, hạt sẽ tồn tại nhƣ một đơn đômen, ở đó sẽ không
còn quá trình dịch vách đômen mà chỉ còn quá trình đảo từ trong hạt đơn đômen. Quá
trình này bao gồm chuyển động quay của tất cả các mômen từ. Khi đó hạt trở thành
trạng thái siêu thuận từ. Đƣờng cong từ hoá của hạt siêu thuận từ là một đƣờng thuận
nghịch, có từ dƣ M
r
bằng không và giá trị của lực kháng từ H
c
bằng không. Nhƣng khi
ở kích thƣớc nhỏ hạt từ dễ bị kết tụ. Vì vậy các hạt nano từ thƣờng đƣợc bọc một lớp
vỏ để có thể phân tán trong dung môi đồng nhất gọi là chất lỏng từ. Ngoài chức năng
bảo vệ hạt từ, lớp vỏ còn làm giảm độc tố của hạt từ và dễ dàng chức năng hóa bằng
M
s
M
H
M
r

H
c

21
việc gắn các phân tử có hoạt tính sinh học khác nhau. Mặt khác, để phối hợp hạt nano
từ với các thành phần khác tạo cấu trúc lõi-vỏ đa chức năng (multimodal) thì phƣơng
thức chủ yếu đƣợc sử dụng là bọc hạt nano từ bằng một lớp silica, sau đó tạo một lớp
các thành phần chức năng khác nhƣ vàng, tâm mầu hoặc chấm lƣợng tử trên lớp silica
đó để tạo thành hạt đa lớp, đa chức năng.
1.4.2 Tính chất quang
1.4.2.1 Tính chất quang của các hạt nano silica chứa tâm mầu
Hạt nano silica có chứa tâm màu hữu cơ hiện nay đang có nhiều các ứng dụng
triển vọng trong các nghiên cứu đánh dấu sinh học. So với các chất màu hữu cơ thì các
hạt nano này có độ bền quang cao hơn vì có nền là silica bảo vệ. Độ chói của tín hiệu
huỳnh quang của các hạt nano silica có thể đƣợc điều khiển bằng số phân tử chất màu
trong mỗi hạt với mật độ chất màu lớn nhất đƣợc giới hạn chỉ bởi sự dập tắt huỳnh
quang. Vì vậy, các hạt này có thể có độ bền quang tƣơng đối tốt và không nhấp nháy.
Ví dụ các chất màu pyrenne trong hạt vi cầu có cƣờng độ huỳnh quang cao gấp hơn 40
lần ở trong dung môi [5]. Những ƣu điểm này làm cho chúng có ứng dụng đầy triển
vọng trong đánh dấu sinh học.
Dạng phổ quang học của các hạt nano silica chứa tâm màu nhìn chung không
thay đổi so với các chất màu hữu cơ tƣơng ứng tự do trong dung môi, tuy nhiên đỉnh
phổ có bị lệch do tƣơng tác của các phần tử màu với mạng nền chứa nó. Hình 1.13
trình bày phổ huỳnh quang của các hạt nano silica kích thƣớc 20 nm chứa chất màu
rhodamine B so sánh với chất màu tự do trong dung môi, đỉnh phổ hấp thụ và huỳnh
quang của các hạt nano này bị dịch về phía sóng dài khoảng 10 nm [20]. Do có mạng

nền bảo vệ nên các hạt nano này có độ bền quang cao.
450 500 550 600 650 700 750
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Cuong do chuan hoa
Buoc song (nm)
4
3
2
1
(1) Abs RB/Silica NPs,
size 20nm
(2) Flu RB/Silica NPs,
size 20nm
(3) Abs RB/Ethanol
(4) Flu RB/Ethanol

0 20 40 60 80 100 120 140 160
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
RB/Ethanol
RB/Silica NPs
Cuong do chuan hoa

Thoi gian (phut)

Hình 1.13. Ph hấp thụ và huỳnh quang của các
ht nano silica chứa rhodamine và
rhodamine tự do trong dung môi [20]
Hình 1.14. Cường độ huỳnh quang theo thời gian
chiu kích thích của các ht nano silica chứa
rhodamine B và rhodamine B tự do dưới kích
thích của laser 532, mật độ công suất 1.82

10
11

W/cm
2
[20]

22
Hình 1.14 là cƣờng độ huỳnh quang của các hạt nano silica chứa rhodamine B
và rhodamine B tự do theo thời gian chiếu ánh sáng kích thích. Sau khoảng 3 giờ chiếu
sáng, cƣờng độ huỳnh quang của rhodamine B tự do gần nhƣ bị dập tắt hoàn toàn
trong khi đó cƣờng độ huỳnh quang của các hạt nano silica chứa rhodamine B giảm
không đáng kể.
1.4.2.2 Tính chất quang của các hạt nano vàng
Plasmon: Dao động tập thể của các điện tử tự do ở các tần số quang học.
Plasmon bề mặt (surface plasmon): Dao động của điện tử tự do ở bề mặt của
hạt nano với sự kích thích của ánh sáng tới.
Cộng hƣởng plasmon bề mặt (surface plasmon resonance, SPR): cộng
hƣởng plasmon bề mặt là sự dao động tập thể đồng thời của tất cả các điện tử ―tự do‖
trong vùng dẫn tới một dao động đồng pha dƣới tác dụng của ánh sáng kích thích

(Hình 1.5).
Đối với các hạt có kích thƣớc nhỏ, hiệu ứng SPR không lớn do hấp thụ không
mạnh. Đối với các hạt lớn hơn có kích thƣớc vài chục nanomet, khi kích thƣớc của
chúng còn nhỏ so với bƣớc sóng ánh sáng thì ánh sáng nhìn thấy có thể kích thích
đƣợc SPR

Hình 1.15. Sự to thành dao động plasmon bề mặt
Hình 1.15 minh họa sự tạo thành của dao động plasmon bề mặt. Điện trƣờng của
sóng ánh sáng tới tạo nên phân cực của các điện tử dẫn (điện tử tự do) đối với lõi ion
nặng của một hạt nano cầu. Sự chênh lệch điện tích thực tế ở các biên của hạt nano về
phần mình hoạt động nhƣ lực hồi phục (restoring force). Bằng cách đó, một dao động
lƣỡng cực của các điện tử với chu kỳ T đã đƣợc tạo nên.
Đối với các hạt nanô kim loại có đƣờng kính d=2r nhỏ hơn nhiều bƣớc sóng ánh
sáng tới (

r2
, hoặc một các gần đúng
10/2
max

r
) thì dao động của điện tử đƣợc
coi là dao động lƣỡng cực và thiết diện tắt đƣợc viết dƣới dạng đơn giản theo lý thuyết
Mie:
3/ 2
2
2
2
12
()

9
( ) 2 ( )
ext m
m
V
c
C


  

  




(1.9)
23
Cũng từ lý thuyết Mie ta có thể tính đƣợc thiết diện tán xạ C
sca
và thiết diện hấp
thụ
abs
C
với các hạt cầu nhỏ biểu diễn dƣới dạng:
42
2
22
12
27

| 1|
18 ( 2 )
sca
m
kV
C

   





(1.0)
Trong đó V là thể tích của hạt,

là tần số của ánh sáng tới, c vận tốc ánh sáng, k
là số sóng,
m

và
   

21
i
là hàm điện môi của môi trƣờng bao quanh và
của vật liệu hạt. Ngoài ra ngƣời ta còn sử dụng mối liên hệ giữa thiết diện tán xạ (thiết
diện dập tắt, thiết diện hấp thụ) với hiệu suất tán xạ
sca
Q

(hiệu suất dập tắt
ext
Q
, hiệu suất
hấp thụ
abs
Q
) plasmon bề mặt theo các biểu thức [16]:

S
C
Q
sca
sca

,
S
C
Q
ext
ext

, (1.11)
Trong đó S là diện tích tƣơng ứng (với hạt cầu
2
Sr


,
r

là bán kính hạt cầu)

Hình 1.16. Sự hấp thụ hệ plasmon bề mặt của các ht vàng nano cầu có kích thước
khác nhau [24]
Hình 1.16 biễu diễn phổ hấp thụ của SPR của các hạt vàng kích thƣớc 22 nm, 48
nm và 99 nm đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp khử muối natri.

Hình 1.17. Ph hấp thụ của các ht SiO2/Au với các tỉ lệ lõi/ vỏ thay đi [17]
24
Khi kích thƣớc hạt nano vàng dạng cầu tăng thì tiết diện tán xạ tăng, do đó để
tăng tiết diện tán xạ ngƣời ta chế tạo hạt vàng bọc silica.
Trên hình 1.17 ta thấy khi đƣờng kính lõi cố định, thay đổi độ dày lớp vỏ vàng
có thể điều chỉnh vị trí vùng cộng hƣởng plasmon bề mặt (SPR) của hạt trong dải bƣớc
sóng mong muốn.
1.4 Các ứng dụng của hạt nanoshell
1.4.1 Dẫn truyền thuốc
Để ứng dụng trong việc truyền thuốc thì hạt nanoshell phải có kích thƣớc, điện
tích, bề mặt hóa học phù hợp vì nó ảnh hƣởng đến thời gian lƣu thông máu. Thông
thƣờng các hạt có kích thƣớc khá lớn (3μm trở lên) bị loại bỏ, thƣờng chỉ dùng các hạt
có kích thƣớc từ 1nm -100nm vì với kích thƣớc này nó có thể len lỏi trong các mao
mạch và các mô bị bệnh [7]. Bề mặt vỏ của các hạt nanoshell là hạt Au. Đặc tính ƣu
việt của hạt nano vàng là ổn định về cấu trúc, không độc, có khả năng tƣơng thích sinh
học cao và nhất là chúng dễ dàng hoạt hóa để gắn kết với các phân tử sinh học nhƣ
amino acid, protein, enzyme, DNA và các phân tử thuốc thông qua các chất có chứa
nhóm –SH. Hạt nanoshell có tính tƣơng hợp sinh học đƣợc gắn kết với thuốc điều trị.
Lúc này hạt nanoshell có tác dụng nhƣ một hạt mang. Khi các hạt đi vào mạch máu,
ngƣời ta dùng từ trƣờng ngoài để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể.
Một khi hệ thuốc/hạt đƣợc tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhả thuốc có thể
diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do
các tế bào ung thƣ gây ra nhƣ độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt

độ. Hiệu quả của việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào từ trƣờng, thể tích và tính chất
từ của hạt nanô. Các chất mang thƣờng đi vào các tĩnh mạch hoặc động mạch nên các
yếu tố nhƣ thông lƣợng máu, nồng độ chất lỏng từ, thời gian tuần hoàn, khoảng cách
từ vị trí của thuốc đến nguồn từ trƣờng, mức độ liên kết thuốc/hạt, và thể tích của khối
u đóng vai trò quan trọng.

Hình 1.18. Mô hình vận chuyn thuốc bằng các ht nanô từ
25
1.4.2 Làm giàu và phân tách chọn lọc tế bào
Trong y sinh học, ngƣời ta phải thƣờng xuyên tách một loại thực thể sinh học
nào đó ra khỏi môi trƣờng của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các
mục đích khác. Phân tách tế bào sử dụng các hạt nanoshell có từ tính là một trong
những phƣơng pháp thƣờng đƣợc sử dụng. Quá trình phân tách đƣợc chia làm hai giai
đoạn: đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu và tách các thực thể đƣợc đánh dấu
ra khỏi môi trƣờng bằng từ trƣờng [2]. Hạt nanoshell cấu trúc từ/Silica chứa chất mầu
hoặc từ/silica/vàng có thể đảm nhiệm cả hai giai đoạn trên; lớp vỏ vàng hoặc silica
chứa chất mầu gắn với phân tử đặc hiệu đóng vai trò đánh dấu. Còn lõi từ sẽ thực hiện
nhiệm vụ tách thực thể đã đƣợc đánh dấu.
Quá trình phân tách đƣợc thực hiện nhờ một gradient từ trƣờng ngoài. Từ
trƣờng ngoài hút các hạt nanoshell có từ tính mang các tế bào đƣợc đánh dấu. Các tế
bào không đƣợc đánh dấu sẽ không đƣợc giữ lại và thoát ra ngoài. Phƣơng pháp này
ứng dụng để điều trị và cô lập các tế bào ung thƣ, virut HIV, các hạt bạch cầu ra khỏi
vùng miễn dịch [22].
1.4.3 Phối hợp đốt nhiệt, quang nhiệt
Hiệu ứng này dùng để chữa trị bệnh ung thƣ. Khả năng chịu nhiệt của các tế
bào ung thƣ kém hơn các tế bào khỏe mạnh và thƣờng bị tiêu diệt trong khoảng nhiệt
độ từ 42-45
0
C [7]. Dùng hiệu ứng đốt nhiệt, quang nhiệt có thể tiêu diệt tế bào ung thƣ
mà hoàn toàn không ảnh hƣởng tới tế bào khỏe mạnh nên đây là một trong những

phƣơng pháp triển vọng trong điều trị ung thƣ hiện nay.
Các hạt nanoshell với lớp vỏ vàng dễ dàng gắn kết các phân tử/tế bào ung thƣ
đích. Lớp SiO
2
ngăn chặn sự kết tụ của các hạt nano vàng, làm tăng độ ổn định sinh
học của các hạt nanoshell và làm tăng thời gian duy trì (retention) của chúng trong
mạch máu. Lớp lõi là hạt sắt từ có tính siêu thuận từ có thể dễ dàng điều khiển bằng từ
trƣờng ngoài. Vì vậy chúng ta có thể kết hợp cả hai phƣơng pháp điều trị phối hợp đốt
nhiệt và quang nhiệt.

Hình 1.19. Quá trình đốt nhiệt bằng từ trường xoay chiều
Trong phƣơng pháp đốt nhiệt, các hạt nanô từ tính đƣợc phân tán trong các mô
mong muốn, sau đó tác dụng một từ trƣờng xoay chiều bên ngoài đủ lớn (cƣờng độ và
Hạt nanoshell
Fe
3
O
4
@SiO
2
@Au
Nam châm
26
tần số) tác dụng lên hạt nano để chúng tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh.
Nhiệt độ khoảng 42 °C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thƣ.
Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu ứng đốt nhiệt là lƣu lƣợng máu và phân bố của các mô.
Trong điều trị ung thƣ bằng quang nhiệt (photothermal therapy), các hạt nano
với các đặc trƣng quang học nổi bật, hóa học bề mặt dễ dàng thay đổi, và các kích
thƣớc đƣợc tạo ra phù hợp với các phân tử sinh học. Kim loại quý, đặc biệt là vàng có
tiềm năng lớn cho chẩn đoán và điều trị ung thƣ do ánh sáng tán xạ và hấp thụ đƣợc

tăng cƣờng plasmon bề mặt của chúng. Sự kết hợp của hạt nano vàng với các phối tử
hƣớng đích đặc biệt đối với các biomarker cho các tế bào ung thƣ cho phép tạo hình
ảnh phân tử đặc trƣng và việc dò tìm ung thƣ. Hơn nữa, hạt nano vàng, có khả năng
chuyển đổi ánh sáng hấp thụ đƣợc thành nhiệt tại chỗ, chúng có thể đƣợc khai thác đối
với việc điều trị lọc lựa ung thƣ bằng hiệu ứng quang nhiệt. Các nghiên cứu mới đây
đã cho thấy các tiến bộ trong nghiên cứu và sử dụng các hạt nano vàng dạng cầu
hƣớng đích lọc lựa trong chẩn đoán quang học và điều trị quang nhiệt ung thƣ. Bằng
cách thay đổi hình dạng và thành phần của hạt vàng, vùng tán xạ plasmon bề mặt có
thể đƣợc điều chỉnh cho tới vùng hồng ngoại gần, cho phép theo dõi hình ảnh in vivo
và điều trị quang nhiệt trong ung thƣ. Trong trƣờng hợp ứng dụng in vivo, các hạt
vàng bọc PEG thƣờng tích tụ trong khối u do hiệu ứng tăng khả năng thẩm thấu và duy
trì của hạt vàng (enhanced permeability and retention –EPR), đƣợc biết tới nhƣ ―tiêu
chí vàng – golden standard‖ cho việc thiết kế thuốc. So với các mô bình thƣờng cùng
loại, thành của các mạch máu trong các u ác tính bị dãn rộng tới 200nm, do đó các đại
phân tử hoặc các phân tử polyme thƣờng tràn vào các khối u qua các khe trên. Các mô
của khối u thƣờng giữ các đại phân tử trong thời gian dài, trong khi đó các mô bình
thƣờng nhanh chóng đào thải các phần tử ngoại lai. Phƣơng pháp bám đích khối u này
gọi là bám đích thụ động để so sánh với phƣơng pháp bám đích chủ động sử dụng liệu
pháp miễn dịch.
Liệu pháp quang nhiệt in- vivo cho các tổ chức nằm sâu trong cơ thể đòi hỏi
nguồn sáng hồng ngoại gần (NIR) vì chỉ loại ánh sáng này mới có khả năng đi sâu vào
cơ thể qua cửa sổ của da ( 800 – 900 nm) do đây là vùng cực tiểu của hấp thụ của hồng
cầu và nƣớc.
Nhóm Halas đã chứng minh rằng các hạt vàng lõi vỏ có thể dùng trong liệu
pháp quang nhiệt hồng ngoại bằng cả hai cách bám đích thụ động sử dụng hạt bọc
PEG và chủ động sử dụng hạt gắn kết kháng thể đặc hiệu. Các nghiên cứu đó cho thấy
rằng mật độ laser đòi hỏi để tạo ra các tổn thƣơng trên các tế bào bệnh sử dụng hiệu
ứng plasmon nhỏ hơn từ 10 – 25 lần mật độ đòi hỏi khi sử dụng các chất mầu hấp thụ
nhƣ indocyanine là chất cảm quang vẫn thƣờng đƣợc dùng trong vật lý trị liệu ung thƣ.

27
Chƣơng 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1 Chế tạo lớp bọc SiO
2
cho hạt nano từ để tạo hạt nano cấu trúc lõi vỏ
2.1.1 Hạt nano sắt từ Fe
3
O
4

Hiện nay, trong và ngoài nƣớc đã có nhiều nhóm nghiên cứu về hạt nano sắt từ.
Trong đó, bề mặt của các hạt từ này đƣợc cải biến thông qua việc bọc một vài lớp
nguyên tử của các polimer hữu cơ (dextran, chitosan, poly(vinylpyrrolidone) (PVP),
poly(ethyleneglycol) (PEG), poly(vinyl alcohol ) (PVA), polystyrene (PS)…), kim
loại, các oxit vô cơ nhƣ SiO
2
, Al
2
O
3
…, các axit: oleic, citric, alkyl phosphates và
phosphonates, sulfonates. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng ba loại hạt nano sắt
từ thƣơng phẩm với các thông số đƣợc trình bày trong Bảng 2.1
Bảng 2.1. Các thông số sản phẩm ht sắt từ thương phẩm
STT
Kí hiệu mẫu
F1
F2
F3
1

Hãng sản xuất
Chemicell GmbH
Chemicell GmbH
Sigma-Aldrich
2
Mã kí hiệu
FluidMAG-CT
FluidMAG-UC/A
Iron oxide (I, II)
3
Môi trƣờng phân tán
H
2
O
H
2
O
Toluene
4
Khối lƣợng/thể tích
25mg/ml
25mg/ml
5mg/ml
5
Loại lõi
Hạt từ
Hạt từ
Hạt từ
6
Lớp bọc

Axit Citric, Na
+
Không có
Axit Oleic
7
Kích thƣớc
100nm
(Thủy động học)
100nm
(Thủy động học)
10±1nm
(TEM)
8
Nồng độ hạt
̴ 1.8*10
15
/g
̴ 1.8*10
15
/g
Không có
9
Loại từ tính
Đa đômen,
Siêu thuận từ
Đa đômen,
Siêu thuận từ
Đơn đômen, Siêu
thuận từ
10

Nhóm chức năng
-COOH, Na
+
Tích điện âm
-COOH
Kích thƣớc, độ phân bố kích thƣớc và tính chất từ của hạt đƣợc khảo sát bằng
các phép đo TEM, VSM, X-ray…
Phụ thuộc vào đặc điểm của các chất lỏng từ nhƣ môi trƣờng phân tán, lớp vỏ
bọc , chúng tôi đã tìm ra quy trình thích hợp để bọc lớp silica cho mỗi loại hạt nano từ
nêu trên.