Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và dạng lõivỏ silicavàng định hướng ứng dụng trong y sinh (tt)

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
VIỆN VẬT LÝ
------***------

ĐỖ THỊ HUẾ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG
CỦA CÁC CẤU TRÚC NANO VÀNG DẠNG CẦU, DẠNG
THANH VÀ DẠNG LÕI/VỎ SILICA/VÀNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG
DỤNG TRONG Y SINH

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số chuyên ngành: 944 01 04

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội – 2018
1


Công trình được hoàn thành tại: Viện Vật lý
Người hướng dẫn khoa học:
1. TS. Nghiêm Thị Hà Liên
2. PGS. TS. Trần Hồng Nhung
Phản biện 1: TS. Nguyễn Cao Khang
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Năng Định
Phản biện 3: TS. Nguyễn Trần Thuật
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đáng giá luận án cấp Viện họp
tại...........................................................................................................
vào lúc

giờ

ngày

tháng

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia
- Thư viện Viện Vật lý

2

năm


1. Lý do chọn đề tài
Các cấu trúc nano vàng là một trong những loại vật liệu nano được
sử dụng nhiều trong các ứng dụng Y-Sinh để tăng độ nhạy của chẩn
đoán và điều trị hướng đích. Đây đang là những hướng nghiên cứu
được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới và trong nước quan tâm phát
triển. Sở dĩ các cấu trúc nano vàng được sử dụng trong những ứng dụng
đó là do chúng có khả năng hấp thụ và tán xạ ánh sáng cao gấp 4-5 bậc
so với các phân tử mầu thông thường. Đặc biệt, tần số plasmon của các
cấu trúc nano vàng, bạc nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy gây nên các
hiệu ứng về màu sắc. Hơn nữa, đặc tính ưu việt của các cấu trúc nano
vàng là ổn định về cấu trúc, không độc, có khả năng tương thích sinh
học cao và nhất là chúng dễ dàng hoạt hóa bề mặt để gắn kết với các
phân tử sinh học như amino acid, enzyme, DNA và các phân tử thuốc
thông qua các chất có chứa nhóm –SH. Với các đặc tính hóa học bề mặt

đặc thù này, các nghiên cứu ứng dụng của các cấu trúc nano vàng ngày
càng phát triển và hứa hẹn những thành tựu to lớn trong các ứng dụng y
sinh. Chẳng hạn như: (i) nano vàng có khả năng chứa thuốc, tải thuốc trị
liệu và phát quang hiện ảnh trong mô tế bào; (ii) nano vàng cấu trúc
lõi/vỏ với khả năng tán xạ mạnh ánh sáng từ vùng nhìn thấy tới vùng
hồng ngoại gần (NIR), chúng được ứng dụng để tạo ảnh in vivo sâu
trong cơ thể (10 cm) để phát hiện các tế bào ung thư. Đồng thời, với khả
năng hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng hồng ngoại gần, các nano vàng
thanh và nano vàng cấu trúc lõi/vỏ được sử dụng để tiêu diệt tế bào
bệnh bằng liệu pháp quang nhiệt mà không làm ảnh hưởng đến các tế
bào khỏe cũng như không làm ảnh hưởng đến yếu tố di truyền…
Xuất phát từ những thực tế về nhu cầu ứng dụng và khả năng đáp
ứng những nhu cầu đó của các cấu trúc nano vàng, đồng thời xuất phát
1


từ tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước, chúng tôi chọn và
nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang
của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và dạng lõi/vỏ
silica/vàng định hướng ứng dụng trong y sinh”.
2. Mục tiêu:
- Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tinh chất quang của các cấu trúc
nano vàng dạng cầu, dạng thanh và cấu trúc lõi/vỏ với các kích thước
điều khiển được.
- Thử nghiệm ứng dụng của vật liệu đã chế tạo trong hiện ảnh tế
bào và trong hiệu ứng chuyển đổi quang nhiệt.
3. Những điểm mới/đóng góp của luận án
Luận án là một công trình nghiên cứu cơ bản định hướng ứng
dụng với đối tượng là vật liệu nano vàng – một loại vật liệu đang và sẽ
hứa hẹn nhiều ứng dụng trong công nghệ nano đặc biệt là các ứng dụng

y sinh. Luận án đã tìm ra quy trình đơn giản tạo hạt nano vàng dạng cầu
ở nhiệt độ phòng kích thước hạt có thể điều khiển được trong một
khoảng khá rộng từ 2nm tới trên 200 nm bằng phương pháp nuôi mầm.
Luận án đã tìm ra quy trình chế tạo nano vàng cấu trúc lõi/vỏ với
việc kiểm soát tinh tế độ dày lớp màng vàng trong khoảng từ 10- 30 nm
bằng việc kiểm soát nồng độ “mầm”. Đồng thời với việc sử dụng hạt
vàng Duff- Baiker biến đổi kích thước đồng đều và nhỏ nên tạo được
lớp màng vàng mỏng hơn, ít gồ ghề hơn, chất lượng tốt hơn so với các
công bố hiện nay. Đồng thời đã tạo được các hạt cấu trúc lõi/vỏ kích
thước nhỏ dưới 100 nm có đỉnh hấp thụ plasmon khoảng 700 nm.
4. Kết cấu của luận án
Luận án gồm có 150 trang được bố cục thành 5 chương

2


Chương 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ VÀ LÝ THUYẾT LIÊN
QUAN
1.1. Tính chất quang của các hạt nano kim loại
1.1.1. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface plasmon
resonance - SPR)
Plasmon polariton bề mặt (SPP) là dao động của điện tử tự do ở
bề mặt của kim loại dưới kích thích của ánh sáng tới. Màu sắc của các
dung dịch keo kim loại là kết quả của sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng bởi
các plasmon bề mặt. Tính chất quang của các cấu trúc nano kim loại
được lý giải bởi lý thuyết của Mie và Gans.
1.1.2. Lý thuyết Mie - sự phụ thuộc của tính chất quang vào kích
thước hạt
Từ lý thuyết Mie người ta có thể tính được tán xạ  sca và tiết diện
hấp thụ abs của một hạt.

Độ hấp thụ A của một mẫu gồm các hạt nano phân tán trong một
môi trường đồng nhất được cho bởi:
𝐼0

1

𝜆
𝐴(𝜆) = 𝑙𝑜𝑔 𝐼𝜆 = 2.303 𝑁. 𝜎𝑒𝑥𝑡
.𝑙
𝜆

trong đó ext là hệ số dập tắt của mẫu tại bước sóng  và N số hạt
trong một lít, l là độ dày của môi trường hấp thụ (cm).
1.1.3. Đặc trưng quang học của các cấu trúc nano vàng
1.1.3.1. Hạt nano vàng dạng cầu
Lý thuyết Mie đánh giá rằng tiết diện quang của các hạt nano
vàng cầu cao hơn khoảng 4-5 bậc so với tiết diện quang của các tâm
mầu. Tính chất quang phụ thuộc vào kích thước của hạt: Các hạt có
đường kính dưới 20 nm tán xạ ánh sáng không đáng kể. Khi đường kính
của hạt tăng lên tỷ lệ đóng góp của tán xạ plasmon bề mặt cũng tăng lên
đáng kể. Sự tăng như vậy của hệ số tán xạ tạo ra một công cụ để lựa
3


chọn các hạt nano cho các ứng dụng thực tế: các hạt có kích thước lớn
thích hợp với các ứng dụng hiện ảnh trên cơ sở tán xạ ánh sáng. Tùy
thuộc vào mục đích ứng dụng mà các hạt nano vàng cầu với các kích
thước thích hợp sẽ được lựa chọn.
1.1.3.2. Thanh nano vàng
Đối với thanh nano vàng, khả năng phân cực lưỡng cực của điện

tử theo chiều ngang và theo chiều dọc không còn tương đương. Do đó
xuất hiện hai cộng hưởng plasmon: một cộng hưởng plasmon theo chiều
dọc tương ứng với dao động của các điện tử tự do dọc theo trục dài của
thanh và một cộng hưởng plasmon theo chiều ngang tương ứng với dao
động của các điện tử tự do theo phương vuông góc với trục dài của
thanh nano (hình 1)

Hình 1. Sự phân bố điện tích trên một thanh nano dưới kích thích của ánh
sáng tới
1.1.3.3. Hạt nano cấu trúc lõi silica vỏ vàng: SiO2 /Au
Các hạt cấu trúc lõi/vỏ được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực
khác nhau là do chúng có các đặc tính quang nổi trội: tiết diện dập tắt
lớn, có thể điều khiển được phổ hấp thụ plasmon một cách linh hoạt
bằng cách thay đổi tỉ lệ tương quan giữa độ dày lõi và độ dày lớp vỏ
(hình 2). Tính chất quang của các hạt SiO2/Au được giải thích dựa trên
mô hình lai (hình 3): plasmon được kích thích trên hạt SiO2/Au có thể
được xem như sự tương tác giữa một hạt nano cầu đặc và một hạt nano
cầu rỗng.
4


Hình 2. Mô hình lai mô tả sự tương tác giữa hạt nano cầu đặc và hạt
nano cầu rỗng
Các tần số cộng hưởng plasmon được xác định như sau
2
𝜔𝑛±
=

𝜔𝑝
1

𝑅1
√1 + 4𝑛(𝑛 + 1)( )2𝑛+1 ]
[1 ±
2
2𝑛 + 1
𝑅2

Trong đó: R1 là bán kính lõi, R2 là bán kính vỏ, n là thứ tự của sóng
hình cầu, p tần số plasmon khối, + là tần số cộng hưởng plasmon ứng
với mode phản liên kết, - là tần số cộng hưởng plasmon ứng với mode
liên kết. Ta thấy tần số cộng hưởng plasmon n phụ thuộc vào tỷ lệ lõi –
vỏ của hạt. Đối với cấu trúc lõi/vỏ vàng vị trí đỉnh phổ dập tắt có thể
dịch chuyển trong khoảng từ 600nm-1000nm. Phạm vi của bước sóng
này đặc biệt quan trọng vì nó chứa dải bước sóng từ 700-900nm, là
vùng cửa sổ quang học của da và mô người.
1.2. Các phương pháp chế tạo cấu trúc nano vàng
1.2.1. Phương pháp nuôi mầm
Nguyên lý của phương pháp nuôi mầm được trình bày như
trong hình 3.

5


Hình 3. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp nuôi mầm
Phương pháp này có ưu điểm là: tổng hợp ở nhiệt độ phòng, dễ điều
khiển kích thước hạt, kích thước đồng đều và ít sản phẩm phụ.Tuy
nhiên để có được những kết quả đó phương pháp này yêu cầu:
- Cần tạo được mầm có chất lượng tốt: đơn phân tán, đồng đều về
hình dạng và kích thước.
- Cần có dung dịch nuôi phù hợp để kiểm soát quá trình phát triển

của hạt mầm.
1.2.1.1. Cơ chế hình thành và phát triển hạt nano vàng bằng phương
pháp nuôi mầm
1.2.1.2. Cơ chế ổn định keo của các hạt trong dung dịch
1.2.2. Các phương pháp chế tạo hạt nano vàng dạng cầu
1.2.3. Chế tạo thanh nano vàng
1.2.4. Các phương pháp chế tạo hạt nano cấu trúc lõi silica vỏ vàng
1.3. Ứng dụng của các cấu trúc nano vàng
1.3.1. Đánh dấu và hiện ảnh sinh học
1.3.2. Ứng dụng hiệu ứng quang nhiệt
1.4. Các phương pháp đo đạc
Chương 2: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CÁC
HẠT NANO VÀNG DẠNG CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP NUÔI
MẦM
2.1. Nguyên vật liệu hóa chất
2.2. Chế tạo hạt vàng kích thước nhỏ - vàng Duff-Baiker
6


2.2.1. Quá trình chế tạo
2.2.2. Hạt vàng Duff – Baiker
6

§ é hÊp thô

4

2

0

300

400

500

600

700

B- í c sãng(nm)

Hình 4. Ảnh TEM của hạt vàng Duff –Baiker, thang đo 20 nm (trái) và
phổ hấp thụ plasmon của chúng (phải).
Ảnh TEM cho thấy các hạt nano vàng được hình thành với kích thước
trung bình cỡ 2 nm. Phổ hấp thụ plasmon của dung dịch hạt có đặc
trưng của các hạt nano vàng nhỏ (dưới 10 nm): phổ rộng với đỉnh cộng
hưởng nằm trong dải bước sóng 505 nm – 510 nm. Các hạt này được
bảo quản ở 40C để làm hạt mầm chế tạo các hạt nano vàng dạng cầu
kích thước lớn hơn hoặc gắn kết lên trên các hạt silica để tạo hạt silica mầm cho quá trình hình thành hạt nano cấu trúc lõi silica/vỏ vàng.
2.3. Chế tạo các hạt nano vàng dạng cầu bằng phương pháp nuôi
mầm
2.3.1. Dung dịch nuôi (GPS)
2.3.1.1. Chuẩn bị dung dịch nuôi
Dung dịch nuôi là các dung dịch vàng hydroxyde được tạo thành khi
cho K2CO3 vào trong dung dịch HAuCl4 để tạo thành các phức ion
vàng.
2.3.1.2. Xác định pH tối ưu của dung dịch nuôi vàng hydroxyde
7

Từ việc phân tích phổ hấp thụ của các dung dịch với pH khác nhau cho
thấy tốc độ phản ứng khử xảy ra chậm trong các dung dịch vàng
hydroxyde với các giá trị pH < 6.59 hoặc pH > 9,7 và xảy ra nhanh hơn
trong các dung dịch có pH trong khoảng từ 8.3 đến 9.4. Vì vậy, chúng
tôi chọn sử dụng dung dịch vàng hydroxyde có độ pH 9.4 để làm dung
dịch nuôi mầm.
2.3.2. Khảo sát sự phát triển của hạt khi thay đổi tỷ lệ nồng độ ion
Au3+ trong dung dịch nuôi và nồng độ hạt vàng trong dung dịch mầm
Để khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ ion Au3+ trong dung dịch nuôi
và nồng độ hạt vàng trong dung dịch mầm đến quá trình kiểm soát sự
phát triển của các hạt nano vàng, chúng tôi đã sử dụng loại hạt mầm là
hạt vàng citrate, có kích thước là 19±1 nm với các mật độ hạt khác
nhau, được nuôi trong một bước nuôi duy nhất.

Hình 5. Ảnh TEM của các mẫu Au-Ci 0 (mầm d =16±1,5nm), mẫu 1: d
= 30±3nm, mẫu 2: d = 35 ± 3nm; mẫu 3: d= 45±5nm; mẫu 4: d =
65±7nm.
Kết quả cho thấy: với tỷ lệ [Au3+]/[Au mầm] sử dụng càng lớn thì hạt
nhận được càng lớn và khi tỉ lệ đó lớn hơn 12.5 thì các hạt bị mất đi tính
đối xứng cầu. Điều này có thể được giải thích theo cơ chế La Mer.
2.3.3. Điều khiển kích thước hạt nano vàng lên tới 200 nm
2.3.3.1. Phát triển kích thước hạt từ hạt vàng Duff-Baiker
Các hạt vàng Duff-Baiker được sử dụng làm hạt mầm ban đầu cho các
bước nuôi, kết quả là phát triển kích thước của hạt đến khoảng 15 nm.
Các hạt mầm ban đầu có kích thước phân bố trong khoảng từ 1-3 nm, vì
8


vậy ở các bước nuôi sau các hạt trong dung dịch sẽ phát triển không

đồng đều dẫn đến sự đa dạng về kích thước hạt. Vì vậy, với mong muốn
tổng hợp được các hạt nano vàng dạng cầu có kích thước biến thiên
trong dải rộng để đa dạng hóa các ứng dụng của chúng, chúng tôi đã sử
dụng mầm ban đầu là một loại hạt nano vàng có kích thước đồng đều
hơn – hạt vàng citrate được làm theo phương pháp của Turkevich.
2.3.3.2. Phát triển kích thước hạt từ hạt vàng citrate
Quá trình này được thực hiện qua 18 bước nuôi được đánh số bắt đầu từ
5 đến 22 sao cho sản phẩm của bước nuôi này được sử dụng làm mầm
cho bước nuôi kế tiếp.

Hình 6. Ảnh TEM của các hạt nano mầm vàng citrate và sản phẩm
thu được ở các bước nuôi khác nhau với độ phóng đại 40000X, thang
đo 100nm.
Các kích thước thu được từ tính toán, ảnh TEM và phép đo DLS là
tương đối phù hợp với nhau. Điều này một lần nữa cho thấy rằng bằng
phương pháp nuôi mầm, sử dụng các mầm là vàng Duff-Baiker và vàng
citrate, dung dịch nuôi là vàng hydroxide pH 9.4, chúng tôi hoàn toàn
có thể phát triển các hạt nano vàng ở nhiệt độ phòng tới các kích thước
9


mong muốn (từ vài đến vài trăm nanomet) và chất lượng sản phẩm (độ
đồng đều, độ đơn phân tán) là tương đối tốt.

Hình 7. Phổ cộng hưởng plasmon của các dung dịch keo vàng kích
thước nhỏ từ bước nuôi 1 đến bước nuôi 3 (A), phổ chuẩn hóa của các
dung dịch từ bước nuôi thứ 5 đến bước nuôi thứ 16 (B ) và phổ cộng
hưởng plasmon của các dung dịch keo vàng kích thước lớn từ bước 17
đến bước 22 (C).
Các hạt dưới 10nm có phổ plasmon rộng, các hạt càng nhỏ thì

phổ plasmon càng mở rộng. Với các dung dịch hạt có kích thước lớn
hơn từ 25 nm 140 nm tương ứng với các sản phẩm của bước nuôi thứ 5
đến bước nuôi thứ 16, phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon của chúng có
một đỉnh cộng hưởng. Sau mỗi bước nuôi đỉnh hấp thụ plasmon dịch
10


đỏ, kích thước hạt càng lớn thì đỉnh hấp thụ plasmon càng dịch về phía
sóng dài. Đồng thời, cũng có thể nhận thấy độ rộng bán phổ của các phổ
này hẹp hơn nhiều so với phổ của các hạt kích thước nhỏ (dưới 10nm)
và trong dải kích thước này độ rộng bán phổ tăng theo sự tăng của kích
thước hạt. Đây là kết quả của sự tương tác giữa sóng điện từ tới với hạt
nano kim loại lớn.
Kết luận chương 2
Các hạt nano vàng dạng cầu kích thước thay đổi từ vài nm đến
200 nm đã được chế tạo tại nhiệt độ phòng bằng phương pháp “nuôi”
mầm, sử dụng các mầm là các hạt vàng Duff-Baiker kích thước 1-3 nm
và vàng citrate kích thước 19 ± 1 nm, với dung dịch nuôi chứa các phức
ion vàng [AuClx(OH)4-x]-. Các đặc trưng quang của hạt vàng sản phẩm
như hình thái, kích thước, độ đơn phân tán và tính chất quang đã được
khảo sát. Các tính toán lý thuyết về tiết diện dập tắt, tán xạ và hấp thụ
phụ thuộc kích thước hạt hoàn toàn phù hợp với các kết quả thu được từ
thực nghiệm.
Chương 3: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA
CÁC CẤU TRÚC NANO LÕI SILICA VỎ VÀNG SiO2/Au
3.1. Nguyên liệu hóa chất -Quy trình chế tạo
3.2. Chế tạo và amin hóa hạt nano silica bằng phương pháp Stober
3.2.1. Thí nghiệm chế tạo và amin hóa hạt nano silica
3.2.2. Kết quả tổng hợp hạt lõi nano silica

11


Hình 8. Ảnh TEM của các hạt nano silica được làm với lượng
NH4OH khác nhau: 900 µl; 1000µl; 1100µl; 1200µl; 1300µl (từ trái
sang phải) trước (dãy trên) và sau (dãy dưới) khi chức năng hóa bề mặt
với APTES các tại thang đo 100nm với độ phóng đại 40000 lần.
Các thông số thu được cho thấy khi lượng NH4OH tăng từ 900 µl
tới 1300 µl với bước nhảy 100 µl thì kích thước của các hạt silica tăng
lên tương ứng là a) 45±3nm;b) 65±5nm; c)110±5nm; d) 130±5nm; e)
150±5nm.
Kết quả khảo sát thế zeta và phổ hấp thụ hồng ngoại cho thấy các
hạt nano silica đã chức năng hóa thành công bằng các phân tử APTES.
3.3. Chuẩn bị hạt silica – vàng mầm
3.3.1. Hấp phụ của hạt vàng Duff-Baiker lên hạt silica có hóa học bề
mặt khác nhau
Ảnh TEM cho thấy khi các hạt nano silica chỉ có các nhóm
-OH trên bề mặt thì gần như không có các hạt nano vàng mầm bám lên,
mà nếu có thì các hạt nano vàng bám rất ít và không đồng đều. Trong
khi đó với các hạt nano silica có các nhóm -NH2 trên bề mặt thì các hạt
nano vàng Duff-Baiker bám trên bề mặt một cách đồng đều do có tương
tác tĩnh điện giữa các nhóm chức amin –NH2 trên bề mặt hạt nano silica
và nhóm COO- trên bề mặt hạt nano vàng Duff-Baiker.

12


Hình 9. Ảnh TEM của các hạt nano silica trước a) và sau b) chức năng
hóa bề mặt bằng APTES khi được ủ với các hạt nano vàng Duff- Baiker
trong cùng điều kiện. Độ phóng đại 40 nghìn lần

3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian ủ tới quá trình hấp phụ các hạt nano
vàng mầm lên hạt lõi nano silica.
Các hạt nano vàng được ủ với các hạt nano silica trong các thời
gian ủ khác nhau: 1h; 3h; 4h và sau 24h. Từ k ết quả ảnh TEM chúng
tôi chọn thời gian ủ để hạt nano vàng nhỏ hấp phụ trên hạt nano silica là
2h đến 3h.
3.4. Chế tạo các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ silica/vàng
3.4.1. Ảnh hưởng nồng độ HCHO đến sự phát triển của hạt vàng trên
bề mặt hạt nano silica
Lượng HCHO tối thiếu cần dùng cho phản ứng khử để tạo cấu trúc
lõi/vỏ được xác định là tỷ lệ mol HCHO/vàng hydroxyde bằng 2.5.
Trong các thí nghiệm tiếp theo, chúng tôi sẽ sử dụng tỷ lệ mol
HCHO/vàng hydroxyde bằng 3 tương ứng với 15 µl HCHO 37% cho 10
ml dung dịch vàng hydroxyde nồng độ 3.7510-4M.
3.4.2. Chế tạo hạt nano SiO2/Au với tỉ lệ đường kính lõi và độ dày vỏ
thay đổi
3.4.2.1. Chế tạo hạt nano SiO2/Au có độ dày vỏ thay đổi
Các hạt nano SiO2/Au có độ dày vỏ thay đổi được thực hiện trên các hạt
lõi đường kính 150 nm, bằng cách thay đổi lượng silica – vàng mầm
13


trong khi thể tích vàng hydroxyde và HCHO giữ cố định lần lượt là 10
ml và 15l. Độ dày lớp vỏ theo tính toán được ước tính là 5 nm, 7nm và
15nm. Việc dịch đỉnh phổ từ 530 nm về phía sóng dài được giải thích là
các hạt vàng mầm trên hạt silica lớn lên về mặt kích thước, nhưng giữa
chúng vẫn có khoảng cách, khoảng cách này sẽ dần bị thu hẹp lại khi
các hạt vàng mầm lớn dần lên. Nhưng khi kích thước các hạt vàng chưa
đủ lớn để phủ kín hạt silica thì phổ cộng hưởng plasmon của chúng có
dạng giống với phổ cộng hưởng plasmon của hạt nano vàng dạng cầu.

Chỉ khi kích thước các hạt vàng đủ lớn để chúng chạm vào nhau tạo
thành lớp vỏ vàng phủ kín hạt nano silica thì mới xuất hiện phổ đặc
trưng của các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ.

Hình 10. HTEM và ảnh phân tích EDX tương ứng của cấu trúc hạt
lõi silica 150nm theo tiến trình làm kín lớp vỏ kim loại vàng tương ứng
với các hạt trên hình 13(B), (C), (D). Mầu vàng tương ứng với nguyên
tố Au, mầu đỏ ứng với nguyên tố O; mầu xanh lá ứng với nguyên tố Si;
với thang đo 100 nm.

14


Thành phần và cấu trúc của hạt nano SiO2/Au cũng đã được thể
hiện trên ảnh HSEM và ảnh phân tích EDX.
3.4.2.2. Tạo lớp vỏ vàng trên các hạt lõi silica có đường kính trong
khoảng 40-150 nm
Chúng tôi đã tạo ra được các hạt nano silica với lõi có đường kính trong
khoảng 40 nm đến 150 nm và độ dày vỏ được xác định bằng ảnh TEM
thay đổi từ 10 nm đến 30 nm. Khảo sát ảnh TEM của chúng qua các
giai đoạn phát triển và phổ hấp thụ của các dung dịch sau khi quá trình
nuôi kết thúc. Với các kích thước lõi khác nhau (đường kính bằng 65
nm, 140 mnm, 180 nm) nhưng có cùng độ dày lớp vỏ 15 nm thì đỉnh cộng
hưởng plasmon càng dịch về phía sóng dài khi kích thước hạt lớn (hình
13). Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả lí thuyết thu được từ mô hình
lai khi giải thích tính chất quang của hạt SiO2/Au: khi tăng tỉ lệ đường kính
lõi/độ dày vỏ thì đỉnh hấp thụ plasmon dịch về phía sóng dài.

Hình 11. Phổ cộng hưởng plasmon chuẩn hóa của các dung dịch hạt
nano SiO2/Au với cùng độ dày lớp vỏ và các đường kính hạt lõi thay đổi.

15


Kết luận chương 3
Các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au được tổng hợp theo phương pháp
nuôi mầm vàng trên hạt lõi silica để tạo lớp vỏ có độ dày nhất định. Quá
trình phát triển lớp vỏ được tối ưu hóa bằng việc xác định lượng HCHO
vừa đủ cho phản ứng khử. Bằng cách tổng hợp hạt cấu trúc lõi/vỏ trên
các hạt nano silica có đường kính khác nhau và độ dày lớp vỏ thay đổi,
chúng tôi đã tổng hợp được các hạt SiO2/Au với đường kính lõi từ 40150nm, và độ dày lớp thay đổi trong khoảng 12-22 nm. Trên cơ sở đó
khảo sát được sự phụ thuộc của phổ cộng hưởng plasmon của các dung
dịch hạt vào tỷ lệ đường kính lõi và độ dày lớp vỏ. Từ đó rút ra các bộ
thông số cho quy trình chế tạo các hạt nano SiO2/Au có kích thước và
phổ hấp thụ plasmon phù hợp với các ứng dụng cụ thể.
Chương 4
CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC
CẤU TRÚC NANO VÀNG DẠNG THANH
4.1. Nguyên liệu hóa chất - Quy trình chế tạo
Các thanh nano vàng được tổng hợp bằng phương pháp nuôi mầm.
Quy trình gồm hai giai đoan: Giai đoạn tạo mầm vàng cấu trúc tinh thể
và giai đoạn tạo phát triển bất đẳng hướng mầm tinh thể thành dạng
thanh. Cấu trúc tinh thể của mầm được kiểm tra bằng ảnh HTEM. Qua
phân tích vai trò của các yếu tố trong việc tạo thanh chúng tôi thấy có
nhiều yếu tố ảnh hưởng tới việc hình thành và phát triển các thanh nano
vàng chẳng hạn như: nồng độ AgNO3 hay tỷ lệ nồng độ Ag+/Au3+ và
nồng độ tác nhân khử AA, nồng độ CTAB,...
4.2. Chế tạo các thanh nano vàng và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng
4.2.1. Tỷ lệ nồng độ Ag+/Au3+
Để xem xét vai trò của tỉ lệ nồng độ mol [Ag+ ] /[Au3+] lên sự hình

thành và phát triển của thanh nano vàng, các thể tích khác nhau từ 0 16


500 µl của dung dịch AgNO3 (2.5mM) đã được thêm vào trong các
dung dịch nuôi.
4.2.2. Nồng độ tác nhân khử Axit ascorbic (AA)
Lượng tác nhân khử AA nồng độ 0.25 M được thay đổi từ 0-40 µl và tỷ
lệ nồng độ [AA]/[Au3+]được khảo sát từ không đủ đến dư trong khoảng
0.92 tới 2.45.
4.3. Kết quả chế tạo thanh nano vàng
4.3.1. Hình dạng và thành phần của thanh nano vàng

C- êng ®é nhiÔu x¹

100

{111}

80
60
{200}

40

{220}

20
0
10

20

30

40

2  (o )

50

60

70

Hình 12. Phổ XRD của thanh nano vàng
Bằng việc phân tích phổ XRD của thanh nano vàng có thể thấy được
các mặt tinh thể trên thanh bao gồm mặt {111} và {110}.
4.3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố lên sự hình thành và phát triển của
thanh
4.3.2.1. Tỉ lệ nồng độ mol [Ag+ ]/[Au3+]

17


Hình 13. Ảnh TEM của các mẫu thanh nano vàng với [Ag+] /[Au3+]
thay đổi, thang đo bằng 20nm
+
Khi không có Ag trong giai đoạn phát triển hạt mầm, dung dịch thu được
đa số là các hạt vàng dạng cầu, một số ít dạng tam giác và dạng thanh. Ở
đó, các thanh vàng có tỉ lệ các cạnh AR rất lớn. Khi nồng độ Ag+ tăng thì

hiệu suất tạo thanh tăng lên từ 74,5% đến 88,9 và tỉ lệ các cạnh của thanh
tăng từ 2,2 đến 4,5. Nhưng khi tỉ lệ mol của Ag+ và Au3+ trong dung dịch
lớn hơn 0.289 thì hiệu suất tạo thanh giảm từ 88,9% đến 75,6% và tỉ lệ
các cạnh của thanh giảm từ 4,5 xuống 3,2. Kết quả này cho thấy vai trò
của ion Ag+ trong quá trình phát triển thanh nano vàng.

§ é hÊp thô

5

Ag+]/[Au3+]

[

M1
M2
M3
M4
M5
M7
M9
M11

4
3
2
1
0

400

600

800

1000

B- í c sãng (nm)

Hình 14. Phổ hấp thụ plasmon cộng hưởng của các dung dịch thanh nano
vàng theo tỉ lệ mol [Ag+] /[Au3+]
18


4.3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ AA

§ é hÊp thô (a.u)

4
3
2

a
1.22
1.53
1.84
2.45

1
0

400

600

800

1000

B- í c sãng (nm)

Hình 15. Phổ hấp thụ của các dung dịch chứa các thanh nano vàng
khi tỉ lệ mol [AA]/[Au3+] thay đổi
Khi tỉ lệ mol dùng [AA]/[Au3+]  0.92 thanh nano vàng không thể
hình thành. Khi tỉ lệ mol [AA]/[Au3+]  1.22 phổ hấp thụ đều thấy xuất
hiện hai đỉnh hấp thụ đặc trưng của cấu trúc nano vàng dạng thanh. Khi
tỷ lệ [AA]/[Au3+] tăng, đỉnh plasmon 𝜆𝐿𝑆𝑃𝑅 nhận được tương ứng giảm
từ 865 nm, 829 nm và ổn đỉnh ở 806 nm khi tỷ lệ này bằng 1.84. Như
vậy AA cũng là một nhân tố đóng vai trò quan trọng trong quá trình
hình thành các thanh nano vàng cũng như điều khiển sự phát triển các
kích thước của thanh nano vàng.
4.4. Sự phụ thuộc tính chất quang của các thanh nano vàng vào
chiết suất của môi trường
4.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ CTAB lên tính chất quang của các
thanh nano vàng
4.4.2. Ảnh hưởng của các phân tử bề mặt lên tính chất quang của
các thanh nano vàng
Kết luận chương 4
Các thanh nano vàng kích thước nhỏ, đường kính thay đổi từ 10
nm – 15 nm, chiều dài thay đổi từ 20 nm – 45 nm, tỉ lệ các cạnh từ 2 4.5, có đỉnh cộng hưởng plasmon nằm trong vùng 700-900 nm đã được
19

tổng hợp bằng phương pháp nuôi mầm trong các khuôn dưỡng mềm tạo
bởi các chất hoạt động bề mặt CTAB và BDAC có sự tham gia của các
ion Ag+. Đã khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố chế tạo lên quá trình
phát triển bất đẳng hướng của hạt mầm để hình thành thanh nano vàng
như các tỉ lệ nồng độ mol của ion [Au3+]/[Ag+] và chất khử AA. Qua đó
rút ra quy trình chế tạo phù hợp để có các thanh nano vàng có các đặc
tính quang như mong muốn. Bên cạnh đó, sự phụ thuộc của đỉnh cộng
hưởng plasmon theo chiều dọc vào tỉ lệ các cạnh của thanh và chiết suất
của môi trường bao quanh cũng đã được khảo sát. Kết quả cho thấy có sự
phù hợp khá tốt giữa các kết quả thực nghiệm và các lý thuyết liên quan.
Chương 5: THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG
5.1. Đặc điểm của các phân tử tương thích sinh học PEG, BSA,
GSH, kháng thể IgG –HER2 và tế bào BT-474
5.2. Gắn kết các cấu trúc nano vàng với các phân tử tương thích
sinh học: BSA, PEG, GSH và kháng thể IgG –HER2
5.2.1. Nguyên lý gắn kết
5.2.2. Một số kết quả gắn kết
Các kết quả gắn kết được khảo sát thông qua phổ hấp thụ hồng ngoại
và ảnh TEM tương ứng của các mẫu trước và sau khi gắn kết. Các bằng
chứng đều cho thấy các cấu trúc nano vàng đã được gắn kết thành công.

Hình 16. Phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR) của protein BSA và Au@BSA
20


5.3. Kết quả sử dụng hạt nano vàng trong hiện ảnh tế bào

Hình 17: Ảnh hiển vi trường tối của tế bào ung thư nuôi cấy BT -474

(A), tế bào ung thư BT-474 được gắn nhãn với kháng thể IgG –HER2
trên phức hệ Au@ IgG-HER2 (B) và tế bào ung thư BT-474 được ủ với
hạt nano vàng@BSA.
Ảnh hiển vi trường tối cho thấy vai trò của hạt nano SiO2/Au
trong việc đánh dấu tế bào nhờ sự tán xạ ánh sáng của các hạt nano
vàng này làm tăng độ tương phản ảnh của tế bào cần quan sát.
5.4. Ứng dụng quang nhiệt của các cấu trúc nano vàng trên mô thịt.
Các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ và thanh nano vàng với khả năng
hấp thụ tốt ánh sáng trong vùng hồng ngoại gần được sử dụng trong
hiệu ứng này. Kết quả cho thấy với cùng điều kiện chiếu sáng thì nhiệt
độ của các mẫu tiêm hạt nano vàng đều đạt được trong khoảng là 49÷51
0
C đối với mẫu dày 1mm, 45÷46 0C đối với mẫu dày 2 mm, 40÷43 0C
đối với mẫu dày 3 mm và 33÷35 0C đối với mẫu dày 4 mm. Như vậy
các mẫu tiêm hạt nano vàng ở cùng mật độ quang tại bước sóng kích
thích thì nhiệt độ mẫu cùng độ dày là gần như nhau. Chúng tôi tính
được hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt η đối với SiO2/Au là 22% và
thanh nano vàng là 24%.
Kết luận chương 5
Trong chương này chúng tôi trình bày các thí nghiệm và kết quả
khảo sát ứng dụng của các loại hạt đã chế tạo được trong hiện ảnh tế
bào và hiệu ứng quang nhiệt trên mô thịt.
21


Kết quả cho thấy các mẫu thịt được tiêm các hạt nano vàng có cùng
độ hấp thụ tại bước sóng laser kích thích có nhiệt độ tăng từ 4-120C so với
mẫu đối chứng, tùy thuộc vào mật độ công suất chiếu tại hạt. Mật độ công
suất chiếu tại hạt càng lớn thì sự gia nhiệt càng nhiều. Hiệu suất chuyển đổi
quang nhiệt η của các mẫu tiêm hạt SiO2 /Au và thanh nano vàng tương

ứng là 22 % và 24%.
Hạt nano SiO2/Au đã được sử dụng trong ứng dụng hiện ảnh tế
bào ung thư vú BT-474 cho kết quả tốt cho thấy tiềm năng của các hạt
nano vàng trong chẩn đoán và điều trị bệnh.
Kết luận chung
Luận án đã thực hiện mục tiêu nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính
chất quang của các nano vàng cấu trúc khác nhau như dạng cầu, dạng
thanh và dạng lõi/vỏ với kích thước thay đổi. Đồng thời sử dụng các vật
liệu chế tạo được ứng dụng trong hiện ảnh tế bào và khảo sát hiệu ứng
quang nhiệt trên mô thịt. Các kết quả luận án đã đạt được cũng như
những đóng góp mới của luận án là:
1. Chế tạo vật liệu
Sử dụng phương pháp nuôi mầm để tổng hợp các cấu trúc nano
vàng tại nhiệt độ phòng với kích thước được kiểm soát:
Các hạt nano vàng dạng cầu đơn phân tán với đường kính biến thiên
từ 20,5 nm đến 2004,5 nm đã được tổng hợp bằng phương pháp
“nuôi” mầm, sử dụng các mầm là các hạt vàng Duff-Baiker kích thước
1-3 nm và vàng citrate kích thước 19  1 nm, với dung dịch nuôi chứa
các phức ion vàng [AuClx(OH)4-x]. Các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ
SiO2/Au với đường kính lõi từ 40-150nm, và độ dày lớp thay đổi trong
khoảng 12-22 nm đã được tổng hợp bằng phương pháp nuôi mầm theo
quy trình 4 bước.

22


Các thanh nano vàng kích thước nhỏ, đường kính thay đổi từ 10 nm
– 15 nm, chiều dài thay đổi từ 20 nm – 45 nm, tỉ lệ các cạnh từ 2 - 4.5,
có đỉnh cộng hưởng plasmon nằm trong vùng 700-900 nm đã được tổng
hợp trên cơ sở khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố lên quá trình phát

triển bất đẳng hướng của hạt mầm trong dung dịch. Qua đó rút ra quy
trình chế tạo phù hợp để có các thanh nano vàng có các đặc tính quang
như mong muốn.
2. Đặc tính hấp thụ plasmon của các cấu trúc nano vàng
Trên cơ sở các vật liệu đã chế tạo chúng tôi khảo sát một cách hệ thống
các đặc trưng quang học của các hạt nano vàng dạng cầu, dạng thanh
và cấu trúc lõi/vỏ
Các hạt nano vàng dạng cầu dưới 10 nm có phổ hấp thụ cộng
hưởng plasmon là một dải rộng với độ rộng bán phổ rất lớn, đỉnh hấp
thụ nằm trong dải từ 505-510 nm; các hạt có kích thước lớn hơn, phổ
hấp thụ plasmon có một đỉnh cộng hưởng với độ rộng bán phổ nhỏ hơn
rất nhiều so với độ bán rộng phổ của các hạt nhỏ. Các hạt càng lớn thì
đỉnh cộng hưởng càng dịch về phía sóng dài; khi kích thước các hạt trên
khoảng 140 nm thì phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon xuất hiện thêm
một đỉnh ở phía sóng dài là kết quả của sự tương tác giữa ánh sáng với
các mode dao động bậc cao. Các tính toán lý thuyết về tiết diện dập tắt,
tán xạ và hấp thụ phụ thuộc kích thước hạt hoàn toàn phù hợp với các
kết quả thu được từ thực nghiệm.
Khảo sát được sự phụ thuộc của phổ cộng hưởng plasmon của các
dung dịch hạt vào tỷ lệ đường kính lõi và độ dày lớp vỏ. Kết quả cho
thấy khi lượng hạt mầm vàng đủ lớn để phủ kín bề mặt hạt lõi thì phổ
cộng hưởng plasmon có hai tần số cộng hưởng và dịch về phía sóng dài
(800nm-900nm) khi tỷ lệ lõi/vỏ tăng. Từ đó rút ra các bộ thông số cho
quy trình chế tạo các hạt nano SiO2/Au có kích thước và phổ hấp thụ
plasmon phù hợp với các ứng dụng cụ thể.
23