Nghiên cứu chế tạo hạt nano đa chức năng Ag-4ATP Fe3O4 bọc SiO2 nhằm ứng dụng trong sinh học

Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

Nguyễn Thị Nhung

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO
ĐA CHỨC NĂNG Ag-4ATP/Fe3O4 BỌC SiO2
NHẰM ỨNG DỤNG TRONG SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội - 2013

1


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

Nguyễn Thị Nhung

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO
ĐA CHỨC NĂNG Ag-4ATP/Fe3O4 BỌC SiO2
NHẰM ỨNG DỤNG TRONG SINH HỌC
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn
Mã số: 60 44 01 04
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hoàng Nam

Hà Nội - 5/2013

2


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

Mở đầu
Công nghệ nano đã có những bước phát triển mạnh mẽ kể từ khi nó xuất hiện tới
nay và đã tạo ra diện mạo mới cho không chỉ các ngành khoa học cơ bản mà còn cho
các ngành khoa học ứng dụng trong thực tế đời sống.Một trong những hướng phát
triển mạnh mẽ là vật liệu nano được nghiên cứu ứng dụng rất nhiều trong nghiên cứu
đánh dấu, chữa trị y sinh bởi bên cạnh việc chúng có kích thước phù hợp với kích
thước các phân tử sinh học chúng cịn có các tính chất vật lý đặc biệt tại các kích thước
này [1, 2].
Một trong những tính chất đặc biệt đó là tổng diện tích bề mặt tăng vọt khi kích
thước vật liệu gỉảm xuống đến kích cỡ nano, giúp cho diện tích tiếp xúc giữa vật liệu
và các phân tử sinh học tăng dẫn tới hệ quả là sự tăng vọt độ nhạy của các phép đo,
cảm biến [3, 4]. Hình thái, kích thước của các hạt kim loại như vàng, bạc… được điều
khiển để chúng có dạng thanh [5], dạng cầu [6] hoặc kim tự tháp [7]… phục vụ cho

các mục đích khác nhau như đánh dấu và điều trị trong y sinh. Các vật liệu bán dẫn
cũng được nghiên cứu ở các hình thái khác nhau như tetrapod, dạng cầu để tăng diện
tích tiếp xúc với các enzyme, cơ chất chỉ thị trong các nghiên cứu tăng độ nhạy của
cảm biến điện hóa. Ngồi ra, để tăng độ khả năng ứng dụng trong sinh học, các vật
liệu nano còn được bọc bởi nhiều lớp polymer khác nhau như polyethylene glycol [8,
9, 10, 11, 12], chitosan, polyalanine … Những lớp vỏ này bên cạnh việc bảo vệ các hạt
nano khỏi tác động của mơi trường, giảm tính độc hại [13, 14, 15] cịn tạo ra các gốc
hữu cơ có tính tương thích sinh học cao như amin (-NH2), carboxyl (-COOH), …
Song song với việc thay đổi kích thước các vật liệu nano đơn chức năng và thay
đổi các lớp vỏ bọc hữu cơ tương thích sinh học, các loại vật liệu đa chức năng có cấu
trúc lõi vỏ cũng liên tục được phát triển sao cho phù hợp với mục tiêu nghiên cứu ứng
dụng. Các lớp vỏ kim loại quý như Au, Ag, [16] … được sử dụng để tăng độ bền hóa
học của các hạt từ, đồng thời cũng tăng khả năng liên kết với các phân tử hữu cơ có
các gốc thiol (-SH). Các lớp vỏ bán dẫn chứa sulfide như ZnS được tạo ra trên bề mặt
các vật liệu huỳnh quang bán dẫn vừa để tăng khả năng phát huỳnh quang đồng thời
cùng tăng khả năng tương tác với các gốc phân tử có lưu huỳnh. Trong những năm gần
3


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

đây, mặc dù số lượng các nhóm nghiên cứu cũng như các cơng trình cơng bố trên thế
giới về việc chế tạo các hạt nano đa chức năng có cấu trúc lõi vỏ tăng vọt, nhưng vẫn
không thiếu những thách thức. Đầu tiên, để chế tạo ra được cấu trúc lõi vỏ hoàn hảo,
thường cần có điều kiện thí nghiệm ngặt nghèo, qui mơ phịng thí nghiệm phải đảm
bảo độ sạch và vì vậy nên giá thành chế tạo rất cao, đi đôi với việc khó khăn trong
cơng nghiệp hóa. Bởi vậy, nhóm nghiên cứu đã định hướng sử dụng phương pháp đơn
giản là vi nhũ tương đảo để nghiên cứu tổ hợp các hạt nano đa chức năng vừa có tính

từ và vừa cho tín hiệu đặc trưng có thể đánh dấu của các hạt nano kim loại.
Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tơi trình bày phương pháp tổ hợp hạt nano
đa chức năng từ các hạt nano đơn lẻ là hạt nano từ Fe3O4 và hạt nano Ag chức năng
hóa bề mặt bởi nhóm chức 4-ATP (aminothiophenol). Các hạt đơn lẻ này được tổ hợp
trong một lớp vỏ SiO2 [16, 17] chung để giúp hạt nano đa chức năng mang tính tương
thích sinh học cao. Các hạt nano đơn chức năng được chế tạo riêng lẻ và được tổ hợp
lại băng phương pháp vi nhũ tương đảo. Sau khi được tổ hợp, hạt nano đa chức năng
được khảo sát từ tính và tính chất quang bằng phương pháp tán xạ Raman tăng cường
bề mặt cho thấy các tính chất của hạt nano đơn chức năng vẫn thể hiện rõ rệt. Kết quả
này đã mở ra triển vọng cho việc chế tạo các hạt nano đa chức năng với giá thành rẻ và
có tiềm năng rất lớn trong ứng dụng thực tế.

4


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

Chƣơng 1: Tổng quan

1.1. Khoa học và công nghệ nano
Khoa học và công nghệ nano là một ngành khoa học còn rất trẻ với tuổi đời
không quá 60 năm (từ 1954) nhưng những năm gần đây ngành khoa học công nghệ
nano thu hút được sự quan tâm trên rất nhiều các lĩnh vực bởi tính chất thú vị của
nó. Khi kích thước của vật liệu nhỏ và đạt đến ngưỡng đủ nhỏ - nanomet - thì chúng
có những tính chất đặc biệt thú vị. Các vật liệu sắt từ như Fe3O4, CoPt, FeCo ...
ởkích thước nano sẽ mang tính chất của vật liệu siêu thuận từ. Tương tự vậy, trong
các vật liệu bán dẫn như ZnO, TiO2, ZnS, PbS, ... ở các kích thước nhỏ đạt đến bán
kính tương tác exciton xuất hiện sự thay đổi của năng lượng chuyển mức dẫn đến

khả năng phát quang của vật liệu (quantum dots – chấm lượng tử). Các kim loại dẫn
điện tốt cịn có thêm một tính chất mới rất thú vị đó là cộng hưởng plasmon bề mặt
khi kích thước vật liệu đạt đến thang đo nano. Các tính chất kể trên khơng chỉ mở ra
nhiều định hướng nghiên cứu cho các ngành khoa học cơ bản mà còn đem lại rất
nhiều cơ hội cho các ngành nghiên cứu ứng dụng.
Bên cạnh sự xuất hiện của các tính chất mới, khi kích thước của vật liệu càng
nhỏ diện tích bề mặt của chúng càng lớn. Điều này trở thành một lợi thế rất lớn cho
các vật liệu có cấu trúc nano trong các ngành khoa học ứng dụng cỡ phân tử như xử
lí mơi trường, sinh học phân tử... Diện tích bề mặt tăng đầu tiên giúp cho khả năng
liên kết của vật liệu với các vật liệu khác. Trên bề mặt của vật liệu có các phần tử
bắt cặp tốt với các chất chỉ thị đặc trưng, hoặc thậm chí với các chất bụi bẩn thơng
qua các liên kết cộng hóa trị, liên kết ion... tạo cơ hội ứng dụng cho việc xử lí chất
thải, lọc nước và vệ sinh môi trường.
Bằng cách xử lý bề mặt để vật liệu có thêm những tính chất mới phù hợp với
mục đích ứng dụng như chức năng hóa bề mặt, phủ bề mặt bằng một lớp vật liệu
khác có hoạt tính mới... vật liệu nano cịn được ứng dụng vào trong các ngành khoa
học khác như y sinh, chế tạo cảm biến ... Diện tích bề mặt tăng, kích thước nhỏ là
lợi thế trong việc giảm thiểu kích thước của sản phẩm, cũng như làm tăng độ nhạy
của các phép đo trong các ứng dụng.
5


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

1.2. Hạt nano từ Fe3O4
Các vật liệu từ thơng thường đều có sự hưởng ứng với từ trường ngồi (H),
thể hiện bằng độ từ hóa (từ độ - M). Tỷ số = M/H được gọi là độ cảm từ. Tùy
thuộc vào giá trị, độ cảm từ có thể phân ra làm các loại vật liệu từ khác nhau.Vật

liệu có < 0 (~ -10-6) được gọi là vật liệu nghịch từ. Vật liệu có > 0 (~10-6) được
gọi là vật liệu thuận từ. Vật liệu có > 0 với giá trị rất lớn có thể là vật liệu sắt từ,
ferri từ. Ở đây, vật liệu có từ tính ngụ ý là vật liệu sắt từ, ferri từ hoặc siêu thuận từ.
Ngoài độ cảm từ, một số thống số khác cũng rất quan trọng trong việc xác định tính
chất của vật liệu, ví dụ như: từ độ bão hòa MS (từ độ đạt cực đại tại từ trường lớn),
từ dư Mr (từ độ còn dư sau khi ngừng tác động của từ trường ngoài), lực kháng từ
HC (từ trường ngoài cần thiết để một hệ, sau khi đạt trạng thái bão hịa từ, bị khử
từ). Nếu kích thước của hạt giảm đến một giá trị nào đó (thông thường từ vài cho
đến vài chục nano mét), phụ thuộc vào từng vật liệu cụ thể, 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 dư và lực kháng từ gần như bằng khơng.
Điều đó có nghĩa là, khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ khơng cịn
từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng
dụng y sinh học. Hạt nano từ tính dùng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều
kiện sau: tính đồng nhất của các hạt cao, từ độ bão hịa lớn và vật liệu có tính tương
hợp sinh học (khơng có độc tính). Tính đồng nhất về kích thước và tính chất liên
quan nhiều đến phương pháp chế tạo cịn từ độ bão hịa và tính tương hợp sinh học
liên quan đến bản chất của vật liệu. Trong tự nhiên, sắt (Fe) là vật liệu có từ độ bão
hịa lớn nhất tại nhiệt độ phịng. Ngồi ra sắt ở một nồng độ nhỏ không độc đối với
cơ thể người cộng thêm tính ổn định khi làm việc trong mơi trường khơng khí nên
các vật liệu như ơ-xít sắt Fe3O4 được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nanơ từ tính
ứng dụng trong y sinh.
Một trong các tính chất quan trọng của hạt nano từ là tính siêu thuận từ có
được khi kích thước nhỏ đến mức năng lượng nhiệt thắng thế so với trạng thái trật
tự từ. Kích thước chuyển sắt từ-siêu thuận từ được xác định bởi công thức sau:

6


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

KV< 25 kBT
Trong đó, K là hằng số dị hướng từ tinh thể, V là thể tích hạt nano, kB là hằng
số Boltzman, T là nhiệt độ. Với một kích thước nhất định thì khi nhiệt độ thấp hạt
nano thể hiện tính sắt từ, khi nhiệt độ cao hạt nano thể hiện tính siêu thuận từ. Nhiệt
độ mà ở đó hạt nano chuyển từ sắt từ sang siêu thuận từ gọi là nhiệt độ chuyển TB.
Ở trạng thái siêu thuận từ vật liệu hưởng ứng mạnh với từ trường ngồi nhưng khi
khơng có từ trường hạt nano ở trạng thái mất từ tính hồn tồn. Bằng việc lựa chọn
vật liệu và kích thước, chúng ta có thể có được hạt nano siêu thuận từ như mong
muốn.
Ngồi ra, các hạt nano từ tính có kích thước tương ứng với kích thước của
các phân tử nhỏ (1-10 nm) hoặc kích thước của các vi rút (10-100 nm). Chính vì thế
mà hạt nano có thể thâm nhập vào hầu hết các cơ quan trong cơ thể và giúp cho
chúng ta có thể thao tác ở qui mơ phân tử và tế bào. Diện tích bề mặt lớn của các
hạt nano giúp cho các hiệu ứng xảy ra bên trên bề mặt diễn ra rất mạnh mẽ. Ví dụ
chức năng hóa bề mặt của hạt nano từ tính thì việc gắn kết hạt nano với các tế bào
thông qua các kháng thể/kháng nguyên sẽ dễ dàng.
Một số phương pháp chế tạo hạt nano oxít sắt từ Fe3O4:
Phương pháp nghiền:
Phương pháp nghiền được phát triển từ rất sớm để chế tạo hạt nano từ tính
dùng cho các ứng dụng vật lý như truyền động từ mơi trường khơng khí vào buồng
chân không, làm chất dẫn nhiệt trong các loa công suất cao,... Trong những nghiên
cứu đầu tiên về CLT, vật liệu từ tính ơ-xít sắt Fe3O4 được nghiền cùng với chất hoạt
hóa bề mặt CHHBM (ví dụ a-xít Oleic) và dung mơi (dầu, hexane). CHHBM giúp
cho q trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt kết tụ với nhau. Sau
khi nghiền, sản phẩm phải trải qua một q trình phân tách hạt rất phức tạp để có
được các hạt tương đối đồng nhất. Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và
chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn. Việc thay đổi CHHBM và dung mơi

khơng ảnh hưởng nhiều đến q trình chế tạo. Nhược điểm của phương pháp này là
tính đồng nhất của các hạt nano khơng cao vì khó có thể khống chế quá trình hình
7


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

thành hạt nano.Hạt nano từ tính chế tạo bằng phương pháp này thường được dùng
cho các ứng dụng vật lý.
Phương pháp đồng kết tủa:
Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ của chất đạt đến một
trạng thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tụ.
Các mầm kết tụ đó sẽ phát triển thơng qua quá trình khuyếch tán của vật chất từ
dung dịch lên bề mặt của các mầm cho đến khi mầm trở thành hạt nano (hình 1.1).
Để thu được hạt có độ đồng nhất cao, người ta cần phân tách hai giai đoạn hình
thành mầm và phát triển mầm. Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế sự hình
thành của những mầm mới.Các phương pháp sau đây là những phương pháp kết tủa
từ dung dịch: đồng kết tủa, nhũ tương, polyol, phân ly nhiệt...Phương pháp đồng kết
tủa là một trong những phương pháp thường được dùng để tạo các hạt ơ-xít sắt. Có
hai cách để tạo ơ xít sắt bằng phương pháp này đó là hydroxide sắt bị ơ xi hóa một
phần bằng một chất ơ xi hóa nào đó và già hóa hỗn hợp dung dịch có tỉ phần hợp
thức Fe+2 và Fe+3 trong dung môi nước.
Phương pháp thứ nhất có thể thu được hạt nano có kích thước từ 30 nm –
100 nm. Phương pháp thứ hai có thể tạo hạt nano có kích thước từ 2 nm – 15 nm.
Bằng cách thay đổi pH và nồng độ ion trong dung dịch mà người ta có thể có được
kích thước hạt như mong muốn đồng thời làm thay đổi điện tích bề mặt của các hạt
đã được hình thành.

Hình 1.1: Cơ chế hình thành và phát triển hạt nano trong dung dịch

Cơ chế tổng hợp hạt nano Fe3O4 như sau: với tỉ phần mol hợp lí Fe3+/Fe2+ = 2
trong mơi trường kiềm có pH = 9 – 14 và trong điều kiện thiếu ô xy.
8


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

Fe3+ + H2O Fe(OH)x3-x (thông qua q trình mất proton)
Fe2+ + H2O Fe(OH)y2-y (thơng qua q trình mất proton)
Fe(OH)x3-x + Fe(OH)y2-y Fe3O4 (thơng qua q trình ơ xi hóa và dehydride
hóa, pH > 9, nhiệt độ 60°). Tổng hợp các phản ứng trên chúng ta có phương trình
sau:
Fe2+ + 2Fe3+ + 8OH- = Fe3O4 + 4H2O
Nếu có ơ xi thì magnetite bị ơ xi hóa thành hdroxide theo phản ứng:
Fe3O4 + 0,25 O2 + 4,5 H2O  3Fe(OH)3
Phương pháp vi nhũ tương:
Vi nhũ tương cũng là một phương pháp được dùng khá phổ biến để tạo hạt
nano. Với nhũ tương “nước-trong-dầu”, các giọt dung dịch nước bị bẫy bởi các
phân tử CHHBM trong dầu (các mixen) (hình 1.2). Đây là một dung dịch ở trạng
thái cân bằng nhiệt động trong suốt, đẳng hướng. Do sự giới hạn về không gian của
các phân tử CHHBM, sự hình thành, phát triển các hạt nano bị hạn chế và tạo nên
các hạt nano rất đồng nhất. Kích thước hạt có thể từ 4-12 nm với độ sai khác
khoảng 0.2-0.3 nm. Ví dụ, dodecyl sulfate sắt, Fe(DS)2, được dùng trong phương
pháp vi nhũ tương để tạo hạt nano từ tính với kích thước có thể được điều khiển
bằng nồng độ chất hoạt hóa bề mặt (CHHBM) là AOT và nhiệt độ.
Phương pháp vi nhũ tương cũng là một phương pháp chế tạo hạt nano đã

được thế giới ứng dụng từ lâu do khả năng điều khiển kích thước hạt dễ dàng của
nó. Cơ chế cụ thể của phản ứng xảy ra trong hệ vi nhũ tương như sau (hình 3): Phản
ứng hóa học tạo các chất mong muốn sẽ xảy ra khi ta hòa trộn các hệ vi nhũ tương
này lại với nhau. Có 2 cách để các phân tử chất phản ứng gặp nhau:

9


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

Hình 1.2: Hệ nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước.

Cách thứ nhất: Các phân tử chất phản ứng thấm qua lớp màng chất hoạt hóa
bề mặt ra ngồi và gặp nhau. Nhưng thực tế thì tỷ lệ sản phẩm tạo thành theo cách
này là rất nhỏ,không đáng kể.
Cách thứ hai: Khi các hạt vi nhũ tương của các chất phản ứng gặp nhau, nếu
có đủ lực tác động thì 2 hạt nhỏ (A,B) có thể tạo thành một hạt lớn hơn (C). Các
chất phản ứng trong 2 hạt nhỏ sẽ hòa trộn, phản ứng xảy ra trong lòng hạt lớn và sản
phẩm mong muốn được tạo thành (ở đây là các hạt magnetite Fe3O4).Các hạt
magnetite Fe3O4 sau khi tạo thành sẽ bị chất hoạt hóa bề mặt bao phủ và ngăn cản
khơng cho phát triển thêm về kích thước.

Hình 1.3: Cơ chế hoạt động của phương pháp vi nhũ tương.

10


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

Cũng bằng phương pháp này, người ta có thể chế tạo hạt ơ-xít sắt bao phủ
bởi một lớp vàng để tránh ơ-xi hóa và tăng tính tương hợp sinh học. Ở đây người ta
dùng cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) là CHHBM và octane là pha dầu
dung dịch phản ứng ở trong pha nước.
Ứng dụng của hạt nano từ Fe3O4
Hạt nano từ Fe3O4 đã được nghiên cứu, ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực
đặc biệt gần đây là trong y sinh. Các ứng dụng của hạt nano từ trong y sinh học
được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể và trong cơ thể. Phân tách và chọn
lọc tế bào là ứng dụng ngoài cơ thể nhằm tách những tế bào cần nghiên cứu ra khỏi
các tế bào khác. Các ứng dụng trong cơ thể gồm: dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và
tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ.
Phân tách và chọn lọc tế bào: Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải
tách một loại thực thể sinh học nào đó ra khỏi mơi trường của chúng để làm tăng
nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác. Phân tách tế bào sử dụng các hạt
nano từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng. Quá trình phân
tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu; và
tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường.
-

Việc đánh dấu được thơng qua các hạt nano từ tính, thường dùng các hạt
nano oxit sắt. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự
các phân tử trong hệ miễn dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào
hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và
thể golgi…Hóa chất bao phủ khơng những có thể tạo liên kết với một vị
trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nano
phân tán tốt trong dung mơi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ.

-

Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài. Từ
trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được
đánh dấu. Các tế bào không được đánh dấu sẽ khơng được giữ lại và thốt
ra ngồi.

Hỗn hợp tế bào và chất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp CHHBM)
được trộn với nhau để các lên kết hóa học giữa chất đánh dấu và tế bào xảy ra. Sử
11


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

dụng một từ trường ngoài là một thanh nam châm vĩnh cửu để tạo ra một gradient từ
trường giữ các hạt tế bào được đánh dấu lại.
Dẫn truyền thuốc: Hạt nano từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết
với thuốc điều trị. Lúc này hạt nano có tác dụng như một hạt mang. Thông thường
hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thơng qua hệ tuần hồn. Khi
các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để
tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể. Một khi hệ thuốc/hạt được tập
trung tại vị trí cần thiết thì q trình nhả thuốc có thể diễn ra thơng qua cơ chế hoạt
động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như
độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt độ. Quá trình vật lý diễn ra
trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự như trong phân tách tế bào.
Các hạt nano từ tính thường dùng là ơ-xít sắt (magnetite Fe3O4, maghemite
a-Fe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh
học như PVA, detran hoặc silica. Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt

để có thể liên kết với các phân tử khác như nhóm chức carboxyl, biotin,...
Tăng thân nhiệt cục bộ: Phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ các tế bào ung
thư mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường là một trong những ứng dụng
quan trọng khác của hạt nano từ tính. Ngun tắc hoạt động là các hạt nano từ tính
có kích thước từ 20-100 nm được phân tán trong các mơ mong muốn sau đó tác
dụng một từ trường xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho
các hạt nano hưởng ứng mà 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 thư.
[27]
Lọc Asen: Oxit sắt có tính phản ứng mạnh với hợp chất Asen để tạo thành
hợp chất sắt – Asen trên bề mặt oxit. Lợi dụng tính chất này, người ta áp dụng các
tinh thể nano đồng nhất Fe3O4 để tách Asen khỏi nước. Nguyên tắc hoạt động là cho
hạt nano Fe3O4 vào nước, để các nguyên tử Asen gắn kết trên bề mặt mà sau đó loại
bỏ bằng từ trường. Do có diện tích bề mặt lớn, nên hạt nano Fe3O4 có hiệu suất lọc
Asen cao, có tính ứng dụng cao trong thực tiễn và bước đầu đã được sử dụng trong
một số máy lọc nước.

12


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

1.3. Hạt nano bạc
Bạc và các hợp chất của bạc thể hiện tính độc đối với vi khuẩn, virus, tảo và
nấm . Tuy nhiên, khác với các kim loại nặng khác (chì, thủy ngân…) bạc khơng thể
hiện tính độc với con người.
Từ xa xưa, người ta đã sử dụng đặc tính này của bạc để phịng bệnh.Người
cổ đại sử dụng các bình bằng bạc để lưu trữ nước, rượu dấm.Trong thế kỷ 20, người

ta thường đặt một đồng bạc trong chai sữa để kéo dài độ tươi của sữa. Bạc và các
hợp chất của bạc được sử dụng rộng rãi từ đầu thế kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX để
điều trị các vết bỏng và khử trùng.
Sau khi thuốc kháng sinh được phát minh và đưa vào ứng dụng với hiệu quả
cao người ta khơng cịn quan tâm đến tác dụng kháng khuẩn của bạc nữa. Tuy
nhiên, từ những năm gần đây, do hiện tượng các chủng vi sinh ngày càng trở nên
kháng thuốc, người ta lại quan tâm trở lại đối với việc ứng dụng khả năng diệt
khuẩn và các ứng dụng khác của bạc, đặc biệt là dưới dạng hạt có kích thước nano.
Hạt nano bạc là các hạt bạc có kích thước từ 1 nm đến 100 nm. Do có diện
tích bề mặt lớn nên hạt nano bạc có khả năng kháng khuẩn tốt hơn so với các vật
liệu khối do khả năng giải phóng nhiều ion Ag+ hơn. Tương tự các hạt nano kim
loại khác, các hạt nano bạc có hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt. Hiện tượng
này tạo nên màu sắc từ vàng nhạt đến đen cho các dung dịch có chứa hạt nano bạc
với các màu sắc phụ thuộc vào nồng độ và kích thước.
Một số phương pháp chế tạo:
Phương pháp hóa khử:
Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại
thành kim loại. Thơng thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nên còn
gọi là phương pháp hóa ướt. Đây là phương pháp từ dưới lên. Dung dịch ban đầu có
chứa các muối của các kim loại như HAuCl4, H2PtCl6, AgNO3. Tác nhân khử ion
kim loại Ag+, Au+ thành Ag0, Au0 ở đây là các chất hóa học như Citric acid, vitamin
C, Sodium Borohydride NaBH4, Ethanol (cồn), Ethylene Glycol (phương pháp sử
dụng các nhóm rượu đa chức như thế này cịn có một cái tên khác là phương pháp
13


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

polyol). Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám,
người ta sử dụng phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng
điện tích và đẩy nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc chất hoạt hóa bề mặt.
Phương pháp tĩnh điện đơn giản nhưng bị giới hạn bởi một số chất khử. Phương
pháp bao phủ phức tạp nhưng vạn năng hơn, hơn nữa phương pháp này có thể làm
cho bề mặt hạt nano có các tính chất cần thiết cho các ứng dụng. Các hạt nano Ag,
Au, Pt, Pd, Rh với kích thước từ 10 đến 100 nm có thể được chế tạo từ phương pháp
này.
Phương pháp ăn mòn Laser:
Đây là phương pháp từ trên xuống . Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt
trong một dung dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt. Một chùm Laser xung có
bước sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 ns, tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung là 90
mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1-3 mm. Dưới tác dụng của chùm laser
xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm được hình thành và được bao phủ
bởi chất hoạt hóa bề mặt CnH2n+1SO4Na với n = 8, 10, 12, 14 với nồng độ từ 0,001
đến 0,1 M.

1.4. Tính chất quang của hạt nano kim loại và ứng dụng:
1.4.1. Hiệu ứng Plasmon bề mặt
Một trong những tính chất quan trọng của các hạt nano kim loại, đó là hiện
tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt. Hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt là hiệu
ứng đặc trưng của các hạt nano kim loại. Vì trong kim loại có nhiều điện tử tự do
nên khi hấp thụ ánh sáng chiếu vào các điện tử tự do này sẽ dao động tập thể cùng
pha với điện trường ánh sáng. Dao động đó gọi là dao động Plasma điện tử. Khi
quãng đường tự do trung bình của các điện tử nhỏ hơn kích thước của chúng, các
dao động này thơng thường bị dập tắt bởi các sai hỏng mạng hay chính các nút
mạng trong tinh thể nguyên tử kim loại. Nhưng khi kim loại ở kích thước nano thì
kích thước của chúng lại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình do đó hiện tượng
14

Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

dập tắt khơng cịn nữa mà các điện tử sẽ dao động cộng hưởng vói ánh sáng kích
thích.
Do vậy tính chất quang của hạt nano kim loại có được do sự dao động tập thể
của các điện tử dẫn đến quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động
như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực
điện tạo thành một lưỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ
thuộc vào nhiều yếu tố nhưng hình dáng, kích thước, độ lớn của hạt nano và môi
trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất. Ngoài ra mật độ hạt nano
cũng ảnh hưởng đến tính chất quang. Nếu mật độ lỗng có thể coi như gần đúng các
hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải kể đến tương tác giữa các hạt (Hình 1.4).

Hình 1.4. Mơ tả hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt
của hạt nano kim loại.

1.4.2. Tán xạ Raman
Năm 1982, Chandrasekhra Venkata Raman khám phá ra hiện tượng mà sau
này nó được mang tên ông bằng những dụng cụ đo phổ thô sơ – hiện tượng tán xạ
Raman.
Tán xạ Raman là một quá trình tán xạ không đàn hồi giữa photon (lượng tử
ánh sáng) và một lượng tử dao động của vật chất hay mạng tinh thể. Sau quá trình
va chạm, năng lượng của photon giảm đi (hoặc tăng lên) một lượng bằng năng
lượng giữa hai mức dao động của nguyên tử (hoặc mạng tinh thể) cùng với sự tạo
15

Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

thành (hoặc hủy) một hạt lượng tử dao động. Dựa vào phổ năng lượng thu được, ta
có thể có những thơng tin về mức năng lượng dao động của nguyên tử, phân tử hay
mạng tinh thể.
Cơ sở lý thuyết tán xạ Raman
Trong quang phổ Raman, mẫu được chiếu xạ bởi chùm laser cường độ mạnh
trong vùng tử ngoại-khả kiến ( v0 ) và chùm ánh sáng tán xạ thường được quan sát
theo phương vng góc với chùm tia tới. Ánh sáng tán xạ bao gồm hai loại : một
được gọi là tán xạ Rayleigh, rất mạnh và có tần số giống với tần số chùm tia tới
( v0 ); loại còn lại được gọi là tán xạ Raman, rất yếu (10-5 chùm tia tới) có tần số là
v0  vm , trong đó

vm là

tần số dao động phân tử. Vạch v0  vm được gọi là vạch

Stockes và vạch v0  vm gọi là vạch phản Stockes. Do đó, trong quang phổ Raman,
chúng ta đo tần số dao động ( vm ) như là sự dịch chuyển so với tần số chùm tia tới
( v0 ) (hình 1.5). Khác với phổ hồng ngoại, phổ Raman được đo trong vùng tử ngoạikhả kiến mà ở đó các vạch kích thích (laser) cũng như các vạch Raman cùng xuất
hiện.

Hình 1.5. Mơ hình mơ tả tán xạ Raman của phân tử CH4.

Theo lý thuyết cổ điển, tán xạ Raman có thể được giải thích như sau :
Cường độ điện trường E của sóng điện từ (chùm laser) dao động theo thời gian có
dạng:

16


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

E  E0 cos2v0t
Trong đó, E0 là biên độ dao động và v0 là tần số laser. Nếu một phân tử hai
nguyên tử được chiếu bởi ánh sang này thì một momen lưỡng cực điện sẽ xuất hiện
do cảm ứng có dạng sau : P   E   E0 cos2 v0t
Trong đó  là hằng số tỷ lệ được gọi là hệ số phân cực. Nếu phân tử dao
động với tần số vm , thì sự dịch chuyển q của hạt nhân có dạng sau :

q  q0 cos2vmt
Trong đó q0 là biên độ dao động. Với biên độ dao động nhỏ,  là hàm tuyến
tính theo q. Do đó, chúng ta có thể viết :

  
 q  ...
 q 0

  0  

  
 qE0 cos2 v0t
 q 0

Suy ra : P   E0 cos2 v0t  0 E0 cos2 v0t  

  
P   0 E0 cos 2 v0t  
 q0 E0 cos 2 v0t.cos 2 vmt
 q 0
1   
P   0 E0 cos 2 v0t  
 q0 E0  cos 2 (v0  vm )t  cos 2 (v0  vm )t 
2  q 0
Theo lý thuyết cổ điển, số hạng thứ nhất mô tả một lưỡng cực dao động mà
nó bức xạ tần số

v0 (tán

xạ Rayleigh); số hạng thứ hai là tương ứng với tán xạ

Raman với tần số v0  vm (phản Stockes) và v0  vm (Stockes).
  
Nếu   bằng khơng thì sự dao động khơng thể tạo ra phổ Raman. Nói
 q 0

chung, để có phổ Raman thì tỷ số này phải khác không.

17


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

1.4.3. Raman tăng cƣờng bề mặt trên các hạt nano kim loại và ứng dụng:

Raman tăng cường bề mặt
So với các quá trình tán xạ đàn hồi (năng lượng của photon khơng đổi) thì
xác suất xảy ra tán xạ Raman là rất nhỏ. Như vậy, để quan sát được vạch Raman, ta
phải tăng cường độ của vạch Raman và tách vạch Raman khỏi vạch chính.
Việc tách phổ có thể thực hiện khá đơn giản bằng một kính lọc, hay phức tạp hơn
một chút là phép biến đổi Fourier. Hệ biến đổi Fourier là một hệ phổ biến trong
ngành quang học và quang phổ, người ta dùng một hệ giao thoa kế Michealson với
một gương có thể dịch chuyển. Độ dịch chuyển của gương có thể điều khiển chính
xác nhờ hệ vân giao thoa của một laser có bước sóng cho trước. Dựa vào độ dịch
của gương, ta có thể có hàm Fourier của nguồn sáng cần nghiên cứu.
Để có được cường độ vạch Raman lớn, cách đơn giản nhất là chiếu chùm sáng
tới với cường độ lớn ví dụ như dùng Laser để chiếu, nhưng cách này cũng khơng
hiệu quả lắm. Hiện nay có 2 phương pháp cộng hưởng thường được áp dụng trong
tán xạ Raman để khuyếch đại vạch Raman lên.
Phương pháp đầu tiên được dùng là CARS, viết tắt của Coherent Antistokes
Raman Scattering. Nguyên tắc của phương pháp này là chiếu hai chùm sáng (laser)
có độ chênh lêch năng lượng và xung lượng đúng bằng năng lượng và xung lượng
của lượng tử dao động. Tương tác giữa hai chùm này sẽ làm số hạt lượng tử dao
động tăng lên nhiều, dẫn đến xác suất va chạm không đàn hồi tăng lên ( giống như
trường hợp phát xạ hấp thụ ánh sáng của nguyên tử, trong trường photon lớn thì xác
suất bức xạ hay hấp thụ tăng). Tuy nhiên hiệu quả của phương pháp này không cao.
Phương pháp thứ hai là SERS (viết tắt của Surface Enhanced Raman
Scattering) – Raman tăng cường bề mặt, tăng cường độ vạch Raman bằng plasmon
bề mặt (surface plasmon). Plasmon bề mặt là một dạng lượng tử của trường điện từ
trong mơi trường plasma có hằng số điện mơi âm, ví dụ như trong kim loại với tần
số sóng điện từ nhỏ hơn tần số plasma của electron trong kim loại. Khi sóng điện từ
truyền dọc bề mặt một tấm kim loại với tần số sóng nhỏ hơn tần số plasma của
18

Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

electron trong kim loại, tương tác của sóng và plasma electron (một trạng thái mà
tất cả các electron chuyển động như một thể thống nhất) làm sóng điện từ có thể
thâm nhập vào mơi trường (gần bề mặt) và định xứ ở đó. Dùng plasmon bề mặt có
thể tăng cường độ điện trường một cách cục bộ. Vì thế, khi đưa nguyên tử cần đo
phổ Raman vào khu vực điện trường cao đó, tương tác giữa nguyên tử và trường
điện từ sẽ mạnh hơn, dẫn đến phổ Raman có cường độ lớn hơn.
Ứng dụng của SERS:
Do đặc tính của hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt chỉ xảy ra trên bề
mặt các hạt nano [18, 19]. Và những liên kết càng gần bề mặt hạt nano sẽ cho các
đỉnh tán xạ đặc trưng của các liên kết đó. Ngồi ra, việc bọc thêm nhiều lớp vỏ trên
bề mặt của hạt nano cũng không làm thay đổi cường độ của các đỉnh tán xạ đặc
trưng. Vì vậy một trong những ứng dụng quan trọng của phương pháp tán xạ
Raman tăng cường bề mặt là có thể được dùng để đánh dấu chẳng hạn đánh dấu tế
bào ung thư vú, tế bào ung thư da [20, 21] và nhận biết các tế bào mang bệnh trong
y sinh [22, 23]. Cụ thể đối với nhận biết tế bào ung thư da (BCC), việc chức năng
hóa bề mặt hạt nano vàng bởi các phân tử 4-ATP được kiểm định bằng phổ tán xạ
Raman tăng cường bề mặt. Phổ tán xạ nhận được đã khẳng định các phân tử 4-ATP
đã được hấp thụ lên trên bề mặt của các hạt nano vàng và cho đỉnh phổ đặc trưng ,
đặc biệt là cho dao động dọc trục của liên kết S-C tại 1087 cm-1. Bên bên cạnh đó,
việc chức năng hóa các hạt nano vàng với các phân tử 4-ATP cịn tạo cho các hạt
vàng có thêm hoạt tính sinh học cao vì đã được bao bọc bởi các nhóm chức amin (NH2), giúp chúng dễ dàng liên kết với các phân tử sinh học - ở đây là kháng thể đặc
hiệu Ber-EP4 nhận biết tế bào BCC. Sử dụng đỉnh phổ dặc trưng này ta có thể tạo
hình ảnh bề mặt mẫu bệnh phẩm bằng cách chụp các phổ SERS tại các bước sóng
đặc trưng và có thể nhận biết vị trí của tế bào ung thư da BCC hay chính là vị trí của
hạt nano vàng, nơi đỉnh phổ đặc trưng có cường độ cao.
Bên cạnh đó, phương pháp tán xạ Raman tăng cường bề mặt còn được ứng

dụng để nghiên cứu quá trình động học trên bề mặt hạt nano vàng. Một số nhóm
nghiên cứu trên thế giới đã sử dụng phương pháp tán xạ Raman tăng cường bề mặt
19


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Thị Nhung

để làm sensor đo nồng độ Nitrite trong dung dịch thanh nano vàng được chức năng
hóa với 4-ATP.
Ngồi những ứng dụng kể trên, thì phương pháp này cũng được sử dụng để
kiểm tra lại cơ chế của các phản ứng đã biết, đồng thời nghiên cứu quá trình động
học của một phản ứng chưa biết. Thông thường, trong một phản ứng việc xác định
sự tồn tại của các liên kết và độ bền của các liên kết trong sản phẩm sau phản ứng là
rất quan trọng. Bằng phương pháp tán xạ Raman tăng cường bề mặt ta hồn tồn có
thể chỉ ra sự tồn tại đồng thời của các chất ở trạng thái trung gian [24, 25] với sản
phẩm sau phản ứng. Đồng thời đưa ra đánh giá về hiệu suất phản ứng và kết luận về
sản phẩm sau phản ứng hoàn toàn phù hợp với các dự đoán ban đầu.
1.5. Hạt đa chức năng dạng lõi vỏ
Hạt nano lõi vỏ có thể có cấu trúc đa dạng, nhưng thơng thường gồm có hai
thành phần chính là lõi và vỏ có tính chất riêng. Hình dạng và các tính chất của lõi
và vỏ, theo lý thuyết cho thấy có thể được điều chỉnh bằng cách khống chế các
thành phần và các thông số chế tạo. Lớp vỏ có vai trị bảo vệ và nhằm khắc phục
một số nhược điểm của phần lõi. Do đó chúng thường được chế tạo từ những vật
liệu trơ hóa học, có độ ổn định cao, bề mặt có khả năng tương thích sinh học như
các
polimer, các chất vơ cơ như SiO2.

`

Hạt nano Au-4ATP có cấu trúc lõi vỏ

Hạt tiểu cầu có chứa nhiều nhân từ
nhiều vật liệu khác nhau

Hình 1.6. Một số dạng hạt nano cấu trúc lõi vỏ

20