Nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của hạt nano vàng định hướng ứng dụng trong diệt tế bào ung thư (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN VŨ ÁNH TUYẾT

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG QUANG NHIỆT CỦA HẠT
NANO VÀNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG DIỆT
TẾ BÀO UNG THƯ

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Thái Nguyên – 2018

1


MỞ ĐẦU
Căn bệnh ung thư đang là vấn đề nhức nhối của ngành y học. Bệnh ung thư và
sức khoẻ cộng đồng là những vấn đề ngày càng được quan tâm ở hầu hết các quốc
gia trên thế giới. Theo ước tính và thống kê của Tổ chức y tế thế giới (WHO) thì
hàng năm trên toàn cầu có khoảng 9-10 triệu người mới mắc bệnh ung thư và một
nửa trong số đó chết vì căn bệnhnày.
Các con số về ung thư lúc nào cũng đáng sợ. Ung thư gây ra cái chết của 8,8
triệu người năm 2015. Khoảng 40% người Mỹ, vào thời điểm nào đó trong đời,
sẽ được thông báo mình bị ung thư.
Với người dân châu Phi, ung thư giờ là căn bệnh chết chóc hơn cả sốt rét.
Nhưng các con số thống kê vẫn chưa khiến người ta hết khiếp sợ bằng tính thầm
lặng và liên tục của những tế bào đột biến gây ra ung thư.

Hình mở đầu. Khối u và tế bào ung thư máu di căn
Tế bào ung thư đang gây cực kì nhiều nguy hiểm cho con người, cho cuộc sống

của chúng ta và khả năng điều trị căn bệnh quái ác này còn gặp nhiều khó khăn
và một số trường hợp thì gần như không thể chữa trị. Khi phải đối mặt với một kẻ
thù như vậy, thật dễ hiểu khi người ta tập trung hi vọng vào khả năng các tiến bộ
khoa học đột phá có thể tìm ra cách chữa trị. Hi vọng đó không phải đặt nhầm
chỗ.
Các phương pháp phẫu thuật, hóa trị và xạ trị thường được dùng để điều trị
ung thư. Phẫu thuật là cắt bỏ khối u ung thư, hóa trị là bơm hóa chất theo các mạch
máu để điều trị ung thư (cả hai phương pháp này đều không triệt để và gây nguy
hiểm cho người bệnh. Xạ trị là sử dụng phóng xạ để điều trị ung thư, nhưng một
lần xạ trị rất đắt đỏ có giá khoảng từ 50-60 triệu VNĐ.Tuy nhiên,
2


nhược điểm chung của cả ba phương pháp này là điều trị không chọn lọc, có nghĩa
là các phương pháp này diệt các tế bào ung thư nhưng đồng thời gây tổn thương
lớn đến tế bào lành, diệt cả tế bào lành lân cận và phá hủy hệ thống miễn dịch. Ví
dụ như bệnh ung thư vú phổ biến trên toàn thế giới hiện nay, phương pháp duy
nhất để diệt tế bào ung thư là cắt bỏ chúng, gây mất thẩm mĩ, thiếu nhân văn.
Song ung thư ngày càng trở nên bớt chết chóc hơn trong vài thập niên gần đây
nhờ vào hàng loạt tiến bộ khoa học, từ sắp xếp trình tự gen (genetic sequencing)
đến các liệu pháp điều trị trúng đích (targeted therapy). Vấn đề đặt ra là: cần diệt
trúng đích tế bào ung thư (TBUT) mà không diệt tế bào lành lân cận.
Ngày nay, với sự bùng nổ của khoa học công nghệ nano đã và đang cho nhân
loại những thành tựu vô cùng to lớn. Đặc biệt, các ứng dụng của công nghệ nano
vào khoa học sự sống ngày càng được phát triển rộng rãi, trong đó việc sử dụng
các vật liệu nano trong các ứng dụng Y-Sinh như tăng độ nhạy của chuẩn đoán và
điều trị hướng đích đang là một hướng nghiên cứu được nhiều phòng thí nghiệm
trên thế giới và trong nước quan tâm phát triển. Từ đó, tôi đã đưa ra ý tưởng dùng
công nghệ nano để ứng dụng trong việc diệt tế bào ung thư. Cụ thể là dùng hiệu
ứng quang nhiệt (quang biến đổi thành nhiệt) để đốtTBUT.

Tế bào lành thường sẽ sinh ra và chết đi nhưng TBUT chỉ nhân lên chứ không
thể chết đi. Tuy nhiên, TBUT chết ở nhiệt độ thấp nhất khoảng 40 độ C, nên chỉ
cần làm nóng cục bộ các hạt nano đến nhiệt độ đó là diệt được TBUT. Các hạt
nano vàng là ứng viên sáng giá cho sự lựa chọn này. Để đáp ứng vấn đề đặt ra ở
trên, các hạt nano vàng dạng tựa cầu với kích thước khoảng 100 đến 200 nano mét
được lựa chọn nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt. Chúng ta biết rằng, kích thước
của tế bào ung thư vào khoảng vài micro mét đến vài chục micro mét, do đó với
các hạt nano vàng có thích thước từ vài chục đến vài trăm nano mét thì nó dễ dàng
được đưa hạt vàng vào khối u để tiếp cận vào tế bào ung thư. Từ đó, dưới ánh
sáng kích thích có bước sóng phù hợp, các hạt nano vàng sẽ hấp thụ năng lượng
ánh sáng tới và sinh nhiệt cục bộ xung quanh chúng dẫn đến diệt tế bào ung thư
một cách chính xác. Trên cơ sở đó, tôi lựa chọn nghiên cứu đề tài: “ Nghiên cứu
hiệu ứng quang nhiệt của hạt nano vàng định hướng ứng dụng trong diệt tế bào
ung thư”.

3


Đề tài tập trung chủ yếu nghiên cứu trên các hạt nano lai hóa vàng bán nguyệt
với lõi là các hạt nano siêu thuận từ và vỏ là kim loại vàng. Báo cáo ngoài phần
mở đầu, gồm chương 1 giới thiệu tổng quan, chương 2 giới thiệu về thực nghiệm
chế tạo các hạt nano và phương pháp theo dõi đơn hạt. Chương 3 trình bày về kết
quả và bàn luận. Cuối cùng là kếtluận.

4


Chương 1.TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về các hạt nano kimloại
Các hạt nano tinh thể kim loại gồm các hạt nano được chế tạo từ các vật liệu

kim loại như Au, Ag, Pt, Cu, Co, trong đó các hạt Au, Ag được sử dụng nhiều
nhất trong các ứng dụng quang. Có 3 phương pháp kích thích quang chính được
sử dụng để kích thích quang các hạt kim loạilà:
1) Kích thích trực tiếp các hạt nano kimloại
2) Kích thích gián tiếp thông qua các tâm mầu được gắn trên bề mặt hạt kim
loại
3) Các quá trình quang xúc tác trong hỗn hợp nano (nanocomposite) bán
dẫn-kimloại.
Khi được kích thích bằng ánh sáng tử ngoại hoặc nhìn thấy, các hạt nano kim
loại thể hiện một số hiện tượng hấp dẫn bao gồm: phát quang, quang phi tuyến và
tăng cường tán xạ Raman (Suface Enhanced Raman Scattering- SERS). Nhờ sự
tăng đáng kể tín hiệu Raman do hiệu ứng trường gần, SERS được sử dụng như
một công cụ phân tích cực nhạy, hơn cả kỹ thuật huỳnh quang. Các phân tử sinh
học có thể được ghi nhận với độ nhạy gấp 1000 lần nếu chúng được gắn với một
hạt vàng. Các hạt bạc cũng có nhiều ưu thế trong lĩnh vực này. Điều kiện chủ yếu
của phép đo SERS là giữ bề mặt mấp mô một cách đồng nhất và lặp lại [Luận văn
Ths. Hòa]. Đối với vật liệu vàng, chúng được sử dụng từ 5000 năm trước công
nguyên chủ yếu dưới dạng khối nhờ vào độ bền hóa học và màu sắc rực rỡ trùng
với màu của ánh sáng mặt trời. Tới thế kỷ thứ 4 sau công nguyên các hạt vàng
được tìm thấy trong các cốc La mã Lycurgus ở hình 1.1 [1]. Bắt đầu từ khoảng
những năm 1300 sau Công Nguyên, hạt keo vàng bắt đầu được sử dụng rộng rãi
trong y học cũng như trong kỹ thuật từ khi các nhà giả kim học có thể hòa tan
được vàng khối vào các chất khác để tạo ra các “chất lỏng mầu nhiệm” với các
màu sắc khác nhau. Từ đó tới nay, có thể tìm thấy các ứng dụng của các hạt keo
vàng ở khắp nơi: trong nhà thờ (kính mầu), bát đĩa sứ (mầu men), thuốc chữa
bệnh…Nhờ vào các mầu sắc rực rỡ của các dung dịch hạt vàng tùy thuộc vào hình
dạng và kích thước hạt, người ta có thể tạo ra các dung dịch với mầu sắc khác
nhau theo ý muốn bằng cách khống chế hình dạng và kích thước hạt[1].

5

Hình 1.1. Cốc Lycurgus. (a) Ảnh chụp cốc dưới ánh sáng phản xạ. (b) Ảnh chụp
cốc dưới ánh sáng truyền qua. (c) Hạt nano kim loại có vật liệu làm cốc thủy tinh
với kích thước khoảng 75nm.
Nhưng chỉ tới thế kỷ thứ 19, vào năm 1850 khi Faraday chế tạo các hạt vàng
và nhận ra rằng mầu sắc của dung dịch chứa hạt vàng được quyết định bởi kích
thước hạt, thì bản chất của các mầu sắc đó mới được làm sáng tỏ (hình 1.2).

Hình 1.2. Mầu sắc phụ thuộc vào kích thước của hạt nano vàng [1]
Năm 1897, Richard Zsigmondy một nhà hóa học người Đức đã chứng minh
được rằng màu đỏ tía của men sứ (thường gọi là màu Cassius) là sự kết hợp của
hạt keo vàng và axit Stannic. Nhờ phát minh này ông đã được giải Nobel năm
1925. Năm 1908 Mie đã giải thích các tính chất quang đặc biệt của hạt vàng do
hấp thụ và tán xạ plasmon bề mặt.
Tiếp theo đó, chúng ta quan sát thấy mầu sắc của dung dịch chứa các hạt
keonanovàngthayđổikhihìnhdạngcủachúngthayđổi.Điềunàyđượcgiải
6


thích bởi lý thuyết Gans. Khi hình dạng của hạt nano dạng cầu (có tính đối xứng
cao nhất) thì phổ hấp thụ plasmon của chúng chỉ có một đỉnh duy nhất, khi tính
đối xứng của hình dạng hạt giảm thì số đỉnh phổ hấp thụ này tăng lên. Ví dụ như
hạt nano vàng dạng thanh có hai đỉnh phổ hấp thụ Plasmon. Vị trí của đỉnh phổ
tùy thuộc vào tỷ số giữa hai trục (ngang và dọc) của hạt nano (xem hình 1.3).

Hình 1.3. Sự phụ thuộc phổ hấp thụ plasmon bề mặt vào kích thước của thanh
nano vàng với các tỷ lệ tươngquan:

R 2,7,

R  3,3

Trong phần này, tôi sẽ mô tả các thuộc tính quang học của một số vật liệu cao
quý vàng, có đặc tính plasmonic. Đối với các hạt nano kim loại quý này và kích
thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng kích thích, các thuộc tính quang học bị chi
phối bởi các mode cộng hưởng của plasmon liên kết cục bộ với tập thể các electron
dẫn gây ra bởi sự tương tác với sóng điện từ. Ví dụ, với các hạt nano bạc hoặc
vàng có các tính chất plasmonic thú vị nhất trong vùng thể nhìn thấy và vùng hồng
ngoại gần. Sự trơ về mặt hóa học và sự tương thích sinh học của vàng làm cho nó
trở thành yếu tố ưa thích trong ứng dụng y sinh học, như chúng ta sẽ thấy chi tiết
trong các phần tiếptheo.
1.1.1 Các hạt nano vànglõi-vỏ
Từ những phân tích trên đây, các hạt nano vàng có cấu trúc lõi/vỏ (lõi là hạt
silica, vỏ là vật liệu vàng) có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y-sinh học do các đặc
trưng quang học lý thú của nó. Loại hạt nano này cũng đã được nhiều nhóm trên
thế giới tập trung nghiên cứu chế tạo và ứng dụng nó trong các lĩnh vực khácnhau.
Các hạt nano vàng lõi/vỏ là các hạt nano hình cầu được tạo thành của một lõi
điện môi được phủ một lớp vỏ kim loại mỏng mà thường làm bằng vàng (xem
hình 1.4). Các hạt nano vàng lõi/vỏ có nhiều hơn một cộng hưởng plasmon có
7


bước sóng phụ thuộc mạnh vào kích thước và tỷ số tương đối giữa kích thước lõi
và độ dày lớp vỏ vàng. Hình 1.4 cho thấy các phổ dập tắt của các hạt lõi/vỏ với
độ dày vỏ khác nhau. Bằng cách thay đổi độ dày của vỏ, phổ cộng hưởng plasmon
của hạt nano vàng lõi/vỏ có thể thay đổi qua một dải rộng quang phổ rộng từ vùng
nhìn thấy đến hồng ngoại gần [2]. Trong vùng hồng ngoại gần (Near Infrared NIR), sự hấp thụ của các mô thường là nhỏ nhất-được gọi là cửa sổ trị liệu
(Window of therapy).

Hình 1.4. Mô hình hạt nano vàng lõi/vỏ (lõi slica, vỏ vàng) và Phổ quang dập tắt
tươngứng.
Hình 1.5 mô tả ảnh chụp các dung dịch hạt keo nano vàng lõi/vỏ với các độ dầy
giảm dần từ trái qua phải tương ứng với phổ hấp thụ Plasmon từ vùng khả kiến
đến vùng hồng ngoại gần.
Tần số cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) được xác định bởi mức độ khớp nối
giữa các mode dao động ở bề mặt trong và ngoài kim loại, hoặc tương đương tỷ

8


số giữa độ dày lớp vỏ và bán kính lõi trung bình. Phổ dập tắt của hạt nano lõi/vỏ
là lai hóa các dao động cộng hưởng plasmon bên trong và bên ngoài của vỏ kim
loại. Một lý thuyết lai ghép các mô hình plasmon đã được phát triển bằng các thuật
toán với lý thuyết lai ghép của các orbital phân tử [3]. Sự cộng hưởng quang học
có thể được định vị ở bất cứ nơi nào trong phổ nhìn thấy và hồng ngoại gần [4].
Hình 1.5. Ảnh chụp dung dịch chứa các hạt keo nano vàng lõi vỏ với độ dầy giảm
dần từ trái qua phải. Phổ hấp thụ Plasmon nằm trong vùng khả kiến và hồng ngoại
gần.
Thay vì cộng hưởng plasmon đơn của các hạt nano kim loại hình cầu thì hạt
nano vỏ/lõi có hai đỉnh cộng hưởng tương ứng với các các mode mặt đối xứng và
không đối xứng. Các tính chất của lõi điện môi và môi trường xung quanh cũng
làm thay đổi các đáp ứng plasmonic. Để chế tạo các hạt nano loi/vỏ người ta chủ
yếu sử dụng phương pháp Stober [5], trong đó các alkyl silicat được thủy phân
thành axit trong một dung dịch cồn để tạo ra lõi điện môi của các hạt nano lõi/vỏ
(xem hình 1.6). Hình 1.6 là ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của các hạt
nano lõi/vỏ vàng trong quá trình phát triển lớp vỏ vàng. Sau đó, 3aminopropyltriethoxysilan được thêm vào dung dịch dẫn đến sự phát triển của
một lớp amin trên bề mặt của hạt nano silic. Sau đó, keo vàng được đưa vào
dungdịch.Hạtnanovàngcóthểdễdàngliênkếtvớicácphốitửaminvớilớp

9


phủ khoảng 30%. Cuối cùng, một hỗn hợp của axit clohiđric và kali cacbonat được
khử natri borohydrit để phát triển một vỏ vàng đồng nhất từ hạt keo vàng. Cơ sở
keo silica-amin-vàng có tính mô đun và có hiệu quả đủ để áp dụng cho các kim
loại chuyển tiếp khác như bạc. Có thể thấy, các hạt nano lõi/vỏ vàng ít ổn định
nhiệt động học hơn so với các hạt nano cầu chuẩn. Các hạt nano này đặc biệt hữu
ích trong việc hiện ảnh tế bào vì các cộng hưởng plasmon cho phép ghép kênh
phức hợp, và bề mặt của chúng có thể dễ dàng hợpsinh.
Hình 1.6. Ảnh TEM biểu diễn quá trình phát triển của hạt nano vàng lõi/vỏ (lõi
là hạt điện môi silic 120 nm, vỏ vàng. (a) - Các hạt nano silic. (b)-(f) Quá trình
tiến triển của lớp vỏ vàng trên bề mặt hạt silic. f) Ảnh TEM của hạt nano lõi/vỏ
vàng sau khi đã hoàn thành việc chế tạo.
1.1.2 Các hạt nano vàng bánnguyệt
Gần đây, nano bán nguyệt (hoặc nano lưỡi liềm) là một khái niệm xuất hiện
trong lĩnh vực các đầu dò nano plasmonic được thực hiện bởi nhóm BioPOETS
(biomoléculaire Polymer tech-nologie optoélectronique et de la Science) ở Khoa
Kỹ sư sinh học do giáo sư Luke Lee của Đại học Berkeley đứng đầu [6]. Các hạt
nano bán nguyệt gồm một hạt cách điện (ví dụ: hạt polystyrene hoặc hạt latex),
hoặc các hạt có thể dễ dàng “bóc” ra khỏi lớp vỏ hay các hạt được chức năng hóa
(như hạt nano từ, hạt nano huỳnh quang). Hình 1.7 thể hiện ảnh TEM của một hạt
nano bán nguyệt.

Hình 1.7. (a) Ảnh TEM của một đầu dò nano dùng cho ứng dụng trong tăng
trưởng tán xạ Raman bề mặt (SERS- surface enhanced raman scattering), phần lõi
của hạt đã được bóc ra. (b) Hình ảnh được mô phỏng của trường điện từ (EMElectrical mangetic) ở tần số cộng hưởng Plasmon dưới kích thích của ánh sáng
tới [7].
10

Cũng như trong phần hạt nano lõi vỏ, tính chất plasmonic của các hạt nano
bán nguyệt được quy định bởi sự tương tác điện tích bề mặt dẫn đến kích thích
các electron dẫn. Thay đổi đường kính trong và ngoài của hạt nano có thể thay đổi
đáng kể tính chất quang học của nó và dẫn đến có thể dịch chuyển cộng hưởng
plasmon. Sự bất đẳng hướng của hình dạng gây ra sự bất đẳng hướng về quang
học ở cộng hưởng plasmon cũng như sự bổ sung phức hợp trong các chế độ lai
hóa plasmonic. Hình dạng thay đổi của lớp vỏ kim loại cho phép tăng mức độ tự
do có sẵn để thay đổi quang phổ. Ngoài ra, trường EM đặc biệt tăng ở vòng tròn
mở của lớp kim loại. Dọc theo trường từ, hiệu ứng khuếch đại EM được tạo ra
mạnh bởi sự kết hợp giữa hiệu ứng điểm và cộng hưởng plasmon. Hình 1.7b cho
thấy hình ảnh (cartography) mô phỏng của trường điện từ (EM) ở chế độ kích
thích cộng hưởng plasmon [34]. Sự gia tăng hơn 15dB tại vòng lưỡi liềm được
quan sát rất rõ ràng. Sự khuếch đại cục bộ của trường này có thể quan sát được
hiệu ứng quang phi tuyến là rất quan trọng (ví dụSERS).
Quy trình chế tạo các hạt nano bán nguyệt được phát triển đầu tiên bởi nhóm
của GS. Luke Lee [7]. Hình 1.8 là hình vẽ mô tả nguyên lý chế tạo các đầu dò
nano. Lớp vỏ kim loại được phủ trên một hạt nano cầu đã đặt sẵn trên một đế bằng
phương pháp bốc bay (có thể bốc bay bằng chùm điện tử, bốc bay bằng nhiệt
điệntrở,..)

Hình 1.8. Hình vẽ mô tả quy trình chế tạo các đầu dò nano bán nguyệt (hoặc
lười liềm)
Bằng phương pháp này, công nghệ đòi hỏi đế đặt mẫu trong một buồng chân
không cao. Vật liệu kim loại có thông thường được bốc bay theo 2 cách: từ trên
xuống hoặc từ dưới lên. Các vật liệu được đặt trong các nồi khác nhau trong buồng
chân không, do đó dễ dàng tạo ra được các hạt nano với nhiều lớp nhau. Sau khi
bốc bay được các lớp kim loại như mong muốn, trên đế có thể các hạt
11

nano được làm tan ra nhờ phương pháp hóa học hoặc có thể dùng bút lông để tách
hạt nano ra (gọi là “lift off”. Đây là công nghệ chế tạo hạt nano bằng phương pháp
vật lý. Thực tế rằng, thông thường phương pháp bốc bay là để tạo ra các màng
mỏng kim loại. Tuy nhiên, với cách cải tiến bằng cách đặt sẵn các hạt nano cầu
trên đế chúng ta có thể tạo ra các hạt nano bán nguyệt có các lớp kim loại khác
nhau như mong muốn. Thêm vào đó, các hạt nano lõi cũng có thể dễ dàng được
thay đổi (hạt cách điện, hạt nano từ, hạt latex, hạt phát huỳnh quang,..) đồng thời
lớp vỏ cũng dễ dàng thay đổi vật liệu tương ứng. Tùy theo mục đích nghiên cứu
và ứng dụng mà có thể tạo các lớp vỏ có tính chất từ tình (bốc bay sắt), hoặc lớp
vỏ có tính chất quang (vỏ là vàng, bạc,..) hoặc đồng thời cả tính chất từ, và quang.
Đó chính là lợi thế của phương pháp này để tạo ra các đầu dò nano lai hóa. Nhờ
vào các hạt nano từ mà chúng có thể được “dẫn đường” dễ dàng nhờ vào từ trường
ngoài (dùng nam châm chẳng hạn), và chúng cũng có thể dễ dàng được quan sát
nhờ vào các tính chất quang (quan sát dưới kính hiển vi trường tối) do sự tán xạ
Plasmon bề mặt. Thêm một lợi thế nữa của phương pháp này là khả năng ứng
dụng trong y sinh. Các đầu dò nano lai hóa sau khi được chức năng hóa hoặc chính
các lõi nano cầu có khả năng phát quang (fluorescence) mà có thể được sử dụng
trong việc phát hiện, trong đánh dấu, hiện ảnh các tếbào.

Hình 1.9. Tín hiệu huỳnh quang cho các trường hợp định hướng khác nhau của
các đầu dò nano bán nguyệt [7]. Ảnh 3-hạt nano phát quang được “bật”, ảnh 4-hạt
nano phát quang ở vị trí giữa nên cường độ phát quang trung bình và ảnh 5-hạt
nano phát quang “tắt” nên tín hiệu bị biến mất.
1.2 Một số phương pháp chế tạo các hạt nanovàng
Trong đề tài này, tôi chủ yếu tập trung vào nghiên cứu các hạt nano vàng, do
đó phần này sẽ giới thiệu một số phương pháp chế tạo các hạt nano vàng. Nhìn
chung, các hạt nano vàng có thể được chế tạo bằng hai phương pháp chủ yếu, đó
là phương pháp hóa học và phương pháp vật lý. Tùy theo hình dạng, kích thước,

12


cấu trúc và đặc điểm của hạt nano mà lựa chọn được phương pháp chế tạo phù
hợp.
Đối với các hạt keo nano vàng, thông thường chúng được chế tạo bằng phương
pháp hóa học. Các hạt nano vàng có thể được chế tạo bằng cách khử hydro
tetraclorua vàng (HAuCl4). Sau khi hòa tan HAuCl4 trong nước dung dịch được
khuấy từ nhanh trong khi thêm tác nhân khử vào. Do đó Au3+bị khử thành ion
vàng một cộng (Au+) và nhanh chóng trở thành nguyên tử vàng, vàng bắt đầu dần
dần kết tủa dưới dạng hạt nhỏ hơn nano mét và lớn dần cho tới khi dung dịch trở
nên siêu bão hòa. Nếu dung dịch được khuấy từ đủ mạnh thì các hạt sẽ có kích
thước đồng đều. Một trong các phương pháp đó là: Phương pháp Turkevitch
(phương pháp chủ yếu tạo các hạt nano dạng cầu), phương pháp Brust, phương
pháp siêuâm,..
Để tạo các hạt keo vàng với các hình dạng khác nhau người ta thường sử dụng
phương pháp tạo mầm (Seeding Growth). Đầu tiên người ta tạo mầm là các hạt
vàng dạng cầu cỡ 4 nm sau đó người ta cho dung dịch mầm vào muối kim loại,
tùy vào tỷ lệ mầm và muối kim loại và thời gian phản ứng mà các hạt nhận được
sẽ có hình dạng theo ý muốn. Cuối cùng, để tạo các hạt dạng thanh (rod) người ta
gắn các chất ổn định lên một phía của hạt trong dung dịch muối kim loại. Phản
ứng tạo vàng sẽ tiếp tục ở phía không được gắn chất ổn định và kết quả nhận được
là các thanh keo vàng. Ngoài các phương pháp chế tạo các hạt keo vàng thuần
(pure) nêu trên, người ta còn chế tạo các hạt silica bọc vàng kích thước vài trăm
nm để dùng làm chất phản quang hoặc trong các thí nghiệm tiêu diệt các tế bào
bệnh bằng hiệu ứng quangnhiệt.
Bên cạnh các phương pháp hóa học nói trên, các hạt nano kim loại vàng có
thể còn được chế tạo bằng phương pháp vật lý, như: phương pháp bắn phá bằng
tia laser, phương pháp bốc bay (bốc bay nhiệt, bốc bay bằng chùm điện tử), hay
dùng plasma để tạo ra các hạt nano vàng,...

1.3 Hiệu ứng quangnhiệt
Nguyên lý chung của hiệu ứng quang nhiệt là khi có sự kích thích của ánh
sáng tới, các điện tử trong hạt nano sẽ hấp thụ năng lượng và dao động, sau đó
năng lượng của dao động của điện tử sẽ chuyển biến thành nhiệt khi tương tác với
các dao động mạng tinh thể. Nhiệt sẽ khuếch tán khỏi hạt nano ra xung
quanhdẫnđếnnhiệtđộởmôitrườngxungquanhhạttănglên.Quátrìnhsinh
13


nhiệt trở nên đặc biệt mạnh trong trường hợp các hạt nano kim loại trong chế độ
cộng hưởng plasmon. Ở tần số cộng hưởng plasmon, các hạt nano trở thành các
nguồn nhiệt và có thể được điều khiển từ xa.
Trong phần này, chúng ta xét một nguồn nhiệt dạng cầu trong một môi trường
đồng nhất. Đặc biệt, chúng ta muốn thiết lập nhiệt độ tăng lên như chúng ta mong
đợi khi hệ ở trạng thái dừng. Đã có một số nghiên cứu khá đầy đủ về vấn đề này
[8]. Chúng ta xét một nguồn nhiệt (S) dạng cầu, bán kính R, có hệ số dẫn nhiệt
, nhiệt dung riêng và mật độ công suất trung bình trong thể tích (được bao
quanh bởi S) là P. Nguồn S được đặt trong môi trường đồng nhất (M) và được xác
định bởi hệ số dẫn nhiệt môi trường và nhiệt dung thể tích đó là
. Giả sử và
là nhiệt độ của (S) và (M) tương ứng. phụ thuộc vào
khoảng cách từ nguồn (S) và do đó không phân tán (P=0), do đó
. Từ
đây thiết lập phương trình dẫn nhiệt cho hai môi trường (S) và (M). Trong trường
hợp (S), phương trình chuyển đổi thành nhiệt được cho bởi[9]:
(1)
Với là mật độ dòng nhiệt nhật được từ biến đổi:
. Biểu thức này cho
phép xác định trong (1), từ đây chúng ta nhận được phương trình dẫn nhiệt cho
nguồn(S):

(2)
Phương trình dẫn nhiệt của (M) được xác định thuần nhất, tại P=0 trong (M) tức
là không hấp thu năng lượng:
(3)
Chúng ta muốn giải phương trình này ở trạng thái dừng, nghĩa là
. Trong
trường hợp này, xét trong hệ tọa độ cầu gắn với (S) và gốc tọa độ trùng với tâm
(S). phương trình (2) và (3) diễn tả dưới dạng:
với
với

(4)
14


Giải phương trình này được:
với
với
Trong đó , ,

et

(5)
là các hằng số của nguyênhàm.

Nhận xét.
i) Nếu r tiến đến vô cùng thì tiến đến ở đó
.
ii) Do sự đối xứng của tọa độ cầu nhiệt độ ở tâm của (S), nghĩa là r=0 thỏa
mãn:

. Điều kiện này làm cho
.
iii) Như đã trình bày ở trên cho trạng thái dừng, năng lượng phát ra từ S phải
bằng năng lượng đi vào của nó (nếu không
thay đổi). chúng ta có thể
triểnkhaiýtưởngrằng,đốivớir=R,mậtđộdòngtạimặt(S)là
(nghĩa là
năng lượng truyền trong một đơn vị diện tích trên bề mặt ra môi trường (S)(M), từ (S) đến (M), trong một đơn vị thời gian) tương đương với dòng nhiệt
từ (M)

. Ta đặt

và

.

ở đó:
,
Và

(6)

Chúng ta nhậnđược
iv) Cuối cùng, khi r=R, các nhiệt độ và trở nên tương đương (nó được coi
nhiệt độ là liên tục ở biên giữa (S) và (M), nói cách khác, điện trở tiếp
xúccủagiaodiệnnàyđượcbỏqua).Tathaycáchằng , và đãnhận
được ở trên để tìm c2 :
(7)
Do đó ta thuđược

15


Từ đây, chúng ta có thể đưa ra biểu thức biểu diễn

và

:

với
với rR

(8)

Hình 1.10. Hình vẽ biểu diễn một hạt nano dạng cầu dưới kích thích của ánh
sáng tới. (a) hình vẽ thiết kế 1 hạt nano dạng cầu được làm nóng bởi ánh sáng
chiếu đến. (b) các đường bao biểu diễn nhiệt độ theo khoảng cách từ tâm hạt nano
cho các kích thước khác nhau trong nước với cùng một công suất quang chiếu P
= 40 kW/cm2.
Từ hình 1.10 cho thấy một cách đơn giản mô phỏng quá trình chuyển đổi quang
thành nhiệt của hạt nano dưới kích thích của ánh sáng tới.
Biểu thức (8) diễn tả nhiệt độ tại một điểm (khoảng cách r) trong môi trườnghạt
nano bán kính R dưới kích thích quang học có công suất P, To là nhiệt độ khi xét
ở xa vô cực (r->∞) hay chính là nhiệt độ phòng. Chúng ta có thể viết lại biểu thức
này dưới dạng thể tích của hạt nano. Do hạt mà ta quang tâm là dạng cầu, vì vậy
dễ dàng việt lại được dưới dạng thể tích Vnp, khiđó:
với

(9)

Đường profil của nhiệt độ tỷ lệ với 1/r. Biến thiên của nhiệt độ lớn nhất khi r
nhỏ nhất, nghĩa là tại bề mặt của hạt nano
Suyra

với

)
(10)

Công thức này là quan trọng, nó có thể giúp cho việc tìm thăng giáng nhiệt độ
tại một điểm trong môi trường chứa hạt nano khi có kích thích quang phùhợp.

16


1.4 Chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (chuyển độngBrown)
Các luật cơ bản của chuyển động dịch chuyển Brown đã được thiết lập bởi
Einstein và sau Perrin là người phát triển sâu và đầy đủ hơn [10]. Chuyển động
Brown của một hạt rắn trong môi trường có độ nhớt η(T) được đặc trưng bởi một
tập hợp các tham số bất thường do kích động nhiệt. Xét các hạt nano có dạng tựa
cầu. Các luật cơ bản của chuyển động Brown của một quả cầu nhỏ tự do đắm mình
trong một chất lỏng cho phép xác định các vị trí dịch chuyển của một hạt theo thời
gian dài so với khoảng thời gian giữa hai "cú sốc". Chúng ta xét một hạt nhỏ
chuyển động Brown mà trong quá trình di chuyển nó bị bắn phá từ mọi phía bởi
các phân tử của môi trường xung quanh do kích động củanhiệt.
Sau mỗi khoảng thời gian, khoảng cách trung bình của hạt tại điểm tìm thấy
nó là bao nhiêu?. Chúng ta thấy rằng bình phương dịch chuyển trung bình tỷ lệ
với thời gian. Điều này có thể viết theo công thức dưới đây trong n chiều.
(11)
ở đó D là hệ số khuếch tán dịch chuyển, τ là thời gian trôi của hạt dạng

cầu.
Để xác định D, chúng ta có thể viết các lực cân bằng tác dụng lên hạt
bằng cách xem hạt chịu tác dụng của ma sát nhớt tỷ lệ thuận với tốc độ. Sự cân
bằng của các lực đó có thể như sau (theo một chiều), được gọi là phương trình
Langevin:
(12)
Ở đó,
là ngoại lực tác dụng lên hạt trong môi trường,
là vận tốc
theo , là hệ số ma sát, giá trị của có thể được xác định trực tiếp từ thựcnghiệm.
Nhân 2 vế của phương (12) với và lấy trung bình, ta nhận được:

(13)
Với

do tính chất đối xứng,

Vì vậy:

17


(14)
Ta nhận được:
(15)
Với

vận tốc bình phương trung bình theo

.

Chúng ta biết rằng, ở điều kiện cân bằng nhiệtđộng:
Với

là hằng sốBoltzmann.

Ở đó

(16)
Công thức này có thể tổng quát hóa cho n chiều, ta có :
(17)
Chúng ta có thể nhận được mối liên hệ theo hệ số khuếch tán dịch chuyển,
hệ số nhớt của môi trường và nhiệt độ từ các phương trình (11) và (17):
(18)
Đối với các hạt hình cầu, có thể chứng minh được công thức liên hệ giữa
hệ số ma sát với bán kính R của hạt và độ nhớt chất lỏng theo:
(19)
Cuối cùng, đối với hạt hình cầu, chúng ta nhận được công thức EinsteinStokes:
(20)
Trong công thức này, bán kính của hạt thực chất là bán thủy động lựchọc
–là bán kính hình học của hạt màbị giới hạn bởi một lớp giới hạn của môi
trường quay quanhhạt.
Từ đây ta có thể viết lại công thức bình phương dịch chuyển trung bình
theo hệ số khuếch tán:
(21)
18


2
- Xét trong không gian 3 chiều: r  6Dt

(22)

- Xét trong không gian 2 chiều:

r2  4Dt

(23)

- Xét trong không gian 1 chiều: r2  2Dt

(24)

1.5 Ứng dụng của hạt vàng trong ysinh
Hiện nay, hạt nano vàng có nhiều ứng dụng trong y sinh học. Một trong các
ứng dụng lý thú nhất đó là:
1) Ứng dụng để làm Tăng trưởng tán xạ Raman (Surface Enhanced Raman
Scattering- SERS): tín hiệu Raman của các phân tử ở trên bề mặt của hạt vàng
tăng lên hàng nghìn lần do tương tác của plasmon bề mặt của hạt vàng với các
trạng thái điện tử của phân tử. Ứng dụng hiệu ứng này làm đầu dò đơn phân tử
(single molecul detection). Ngoài ra còn có hiệu ứng tăng trưởng tín hiệu huỳnh
quang của các phân tử trên bề mặt của hạt vàng. Hiệu ứng này cũng được ứng
dụng trong các thí nghiệm đánh dấu sinhhọc.
2) Làm các sensơ sinhhọc
Phổ hấp thụ của hạt vàng rất nhạy với môi trường xung quanh nó, có nghĩa là
các phân tử liên kết với hạt vàng gây ra sự thay đổi mầu do sự dịch đỉnh của hấp
thụ plasmon. Thí dụ: làm sensơ DNA, sự có mặt của DNA làm đổi mầu của các
hạt nano từ mầu đỏ sang mầu xanh được ứng dụng làm các phép thử nhanh phát
hiện bệnh như thử thai nghén, thử bệnh bằng nước bọt.
3) Hiện ảnh các tế bào ung thư: các hạt vàng được sử dụng như các chất đánh

dấu tế bào ung thư hoặc chất phản quang (contrast agent). Cách này tạo được
nguồn tín hiệu mạnh từ các mô ung thư cho các đặc điểm về phân tử cũng như
giải phẫu củabệnh
4) Điều trị ung thư bằng quang nhiệt (photothermal therapy): sử dụng laser để
cắt bỏ tế bào ung thư. Hệ số hấp thụ nhiệt sinh ra do cộng hưởng hạt Aucao.
- Hiện ảnh và điều trị bằng hồng ngoại đi sâu vào cơ thể với các hạt SiO2bọc
vàng đường kính vài trăm nm có đỉnh tán xạ SPR nằm trong vùng hồng ngoại. Sử
dụng các thanh nano (rod) vàng, các nano vàng lõi vỏ và các nano vàng bán
19


nguyệt,.cóthiếtdiệntánxạlớntrongvùnghồngngoại.Đâylàphươngpháp

20


hiện ảnh và điều trị ung thư in vivo và rất nhạy đang được tập trung nghiên cứu
trên thế giới [11].
- Vận chuyển thuốc: thường dùng các hạt vàng ~30 nm. Hiệu ứng tán xạ
plasmoncộng hưởng trên bề mặt hạt vàng cho phép sử dụng hiện ảnh cả với ánh sáng
trắng ở kính hiển vi thường, điều mà các chất đánh dấu khác không làm được.
Chương 2. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO HẠT NANO VÀNG BÁN NGUYỆT VÀ
ĐO PHỔ TÁN XẠ PLASMON
Trong chương này này tôi tập trung vào trình bày phần thực nghiệm chế tạo
các đầu dò nano vàng lai hóa dạng bán nguyệt và các phép khảo sát các tính chất
của nó như: khảo sát hình dạng và kích thước, khảo sát tính chất quang thông qua
phổ tán xạ plasmon bề mặt, xây dựng hệ quang học để nghiên cứu hiệu ứng quang
nhiệt
2.1 Chế tạo các hạt nano vàng bán nguyệt
Như trên đã trình bày, các hạt nano có nhiều dạng khác nhau. Tuy nhiên, trong đề

tài này của tôi, tập trung vào các hạt nano vàng bán nguyệt. Chúng được coi như
là các đầu dò nano lai hóa. Trong phần này tôi sẽ trình bày các hạt nano vàng bán
nguyệt được chế tạo bằng phương pháp vật lý-đó là công nghệ bốc bay nhiệt điện
trở. Bằng phương pháp này có thể tạo ra các màng mỏng kim loại trên các đế với
độ dày có thể điều khiển được một cách dễ dàng thông qua điều khiển dòng điện
dẫn vào thuyền đặt vật liệu. Tôi đã tổ hợp phương pháp này với công nghệ in
thạch bản nano cầu để tạo ra các hạt nano dạng bán nguyệt. Công nghệ này được
phát triển bởi nhóm Richard P. Van Duyne [12]. Quy trình của phương pháp là
tạo ra một lớp mỏng kim loại trên mặt nạ nano cầu đã được đặt trên đế. Các hạt
nano cầu trên đế có thể thay đổi một cách dễ dàng từ các vật liệu khác nhau. Các
hạt nano cầu này có thể là hạt nano phát quang (latex, hay hạt nano cách điệnsilica hay các hạt nano từ,..). Thêm vào đó, các vật liệu kim loại bốc bay trên các
nano này cũng dễ dàng được thay đổi, thậm trí là có thể tạo ra nhiều lớp vật liệu
khác nhau trên đế (multi-layer). Trong thí nghiệm này, tôi dùng đế là các lam kính.
Sau khi lam kính được rửa sạch sẽ được chải các hạt nano lên và tiếp theo đặt
trong buồng chân không cao để bốc bay các vật liệu lên đế. Sau khi quá trình bốc
bay hoàn tất, các hạt nano được tạo thành trên đế sẽ được tách ra khỏi đế bằng
cách đơn giản là dùng các chổi lông mềm-bằng cách quét nhẹ nhàng, sau đó lọc
rửa nhiều lần thông qua các phin lọc và nam châm
(vì hạt nano cầu làm mặt nạ là hạt nano siêu thuận từ). Kết quả
21


nhận được các hạt nano bán nguyệt có độ đồng đều phụ thuộc nhiều vào chất
lượng các hạt nano cầu đã sử dụng làm mặt nạ, như: kích thước và hình dạng đồng
đều, quá trình đặt các hạt nano trên đế lam kính cũng cần phân tán đều và việc rửa
lam kính sạch trước khi đặt các hạt nano cầu cũng đóng góp rất quan trọng trong
chất lượng mẫu thu được. Sau đây tôi trình bày chi tiết từng bước của thínghiệm.
2.1.1 Làm sạch các lamkính
Các lam kính dùng làm đế có kích thước 2,5x7,5 cm với độ dầy từ 0,13-0,17 mm
được sản xuất từ Đức. Trước khi trải các hạt nano cầu siêu thuận từ lên đế này, bề

mặt của lam kính cần được làm sạch để tăng chất lượng mẫu chế tạo được. Các
hạt nano bán nguyệt sau khi hoàn thành sẽ được đảm bảo chắc chắn là các hạt
nano như mong muốn gồm lõi là các hạt nano siêu thuận từ và vỏ là lớp vàng bán
nguyệt. Để làm sạch lam kính, có nhiều phương pháp đã có tác dụng hiệu quả hay
được sử dụng. Các phương phổ biến vẫn là dùng phương pháp hóa học. Một trong
các phương pháp đơn giản nhất là: bề mặt của lam kính được làm sạch bằng dung
dịch tẩy rửa chén, sau đó rửa lại bằng nước IQ và đặt trong máy rung siêu âm
trong cồn (99,7%-100%) khoảng 5 phút. Tuy nhiên, cách này không thể tẩy sạch
hoàn toàn các vết bẩn vô-hữu cơ trên bề mặt. Phương pháp thứ 2 là sử dụng dung
dịch piranha. Dung dịch này cho phép loại bỏ các nhiễm bẩn từ các chất hữu cơ
trên bề mặt. Dung dịch này bao gồm hỗn hợp của 1/3 nước oxy (H2O2) và 2/3 axit
sunphuric (H2SO4). Sau đó, lam kính được rửa lại bằng nước cất. Với cách này,
quá trình rửa rất độc cho người làm thí nghiệm. Chính vì vậy, tôi đã sử dụng một
phương phap đơn giản hơn ít độc mà vẫn làm sạch được được bề mặt lam kính
như mong muốn. Đầu tiên, các lam kính được ngâm trong aceton trong khoảng
30 phút có rung siêu âm để loại bỏ các chất hữu cơ bám trên bề mặt. Sau đó, rửa
sạch aceton bằng nước IQ và rung siêu âm trong khoảng 20 phút. Bước này được
lặp lại 3 lần nhằm chắc chắn loại bỏ aceton. Và cuối cùng làm khô bề mặt bằng ni
tơ. Tất cả các bước đều thực hiện trong tủ hốt. Hình 2.1 là ảnh quang học trường
tối của lam kính trước và sau khi được làm sạch. Trên hình 2.1a, ta thấy có nhiều
tán xạ của các hạt bụi dưới khi quan sát bằng kính hiển vi quang học trường tối.
Tuy nhiên, sau khi được rửa sạch thì ta quan sát hầu như không còn các tán xạ từ
các hạt bụi ô nhiễm nàynữa.

20


Hình 2.1. So sánh ảnh quang học trường tối của lam kính trước (a) và sau khi
được xử lý làm sạch bằng acetone (b).
2.1.2 Trải các hạt nano trên bề mặt

Sau khi các lam kính được làm sạch trong phần trên đã trình bày, các hạt nano
siêu thuận từ (có kích thước ~8nm được bọc trong mạng polystyren tạo thành kích
thước trung bình 150nm) được mua từ hãng Merc-Đức sẽ được trải lên bề mặt.
Thực tế, có một số cách để trải các hạt nano lên đế, tuy nhiên cách phổ biến và
cho kết quả tốt là là quay phủ (spin coating). Phương pháp này cho phép tạo ra
các lớp hạt nano trên bề mặt có độ đồng đều cao nhờ vào điều khiển tốc độ quay
của trục gắn với lam kính. Tôi đã hiệu chỉnh với nhiều tốc độ quay của đế khác
nhau để tối ưu hóa lớp hạt nano trên bề mặt để đạt mục tiêu là: các hạt nano đơn
phân tán đều và mật độ hạt nhiều nhất có thể trên bề mặt lam kính. Điều này giúp
cho việc tăng được số hạt nano bán nguyệt sau quá trình bốc bay. Cụ thể, tôi lấy
200 µl các hạt nano siêu thuận từ bằng micropipep trải lên lam kính đang quay
với tốc độ 1000 vòng/phút trong 30 giây. Hình 2.2 thể hiện quy trình trải các hạt
nano từ lên lam kính bằng phương pháp quay phủ. Hình 2.2b và 2.2c là ảnh kính
hiển vi quang học trường tối của các hạt nano từ sau khi trải ở các tốc độ quay
khác nhau của lam kính. Ta thấy, các hạt nano phân bố đơn phân tán và rất đều.
Tuy nhiên, mật độ hạt trên hai ảnh này cho thấy ở hai tốc độ quay 2000 vòng/phút
và 1000 vòng/phút của lam kính không có sự khác biệt nhiều.

21


Hình 2.2. a) Hình vẽ thể hiện các hạt nano từ trải lên lam kính. b) và c) là ảnh
kính hiển vi quang học trường tối của các hạt nano từ trên lam kính ở các tốc độ
quay của lam kính: 2000 và 1000 vòng/phút tương ứng.
2.1.3 Công nghệ bốc kim loại bằng phương pháp nhiệt điệntrở
Các lam kính sau khi được trải các hạt nano lên bề mặt được gắn lên giá đưa vào
buồng của máy bốc bay. Buồng được làm sạch và có đặt các thuyền vật liệu kim
loại được bốc bay và cần tạo chân không cao (áp suất dưới 5.10 -6 Torr). Quy trình
bốc bay vật liệu bằng phương pháp nhiệt điện trở dựa trên tác dụng của dòng điện
làm nóng vật liệu kim loại trong thuyền để bay hơi (nguyên tử) lắng đọng trên đế

tạo nên một lớp màng mỏng kim loại trên đế. Hay ta có thể hiểu là bốc bay chân
không là quá trình vật liệu nguồn được hóa hơi bay đến đế mà không xảy ra va
chạm giữa các phân tử khí trong không gian giữa nguồn và đế. Phương pháp bốc
bay được minh họa như trên hình 2.3. Bằng phương pháp bốc bay nhiệt điện trở
tạo màng kim loại từ đó tạo ra được các hạt nano vàng bán nguyệt khi đã trải sẵn
các hạt nano trến đế (lamkính).

22


Hình 2.3. Mô hình biểu diễn quá trình bốc bay các vật liệu tạo màng mỏng
kim loại lên đế.
Hình 2.4 thể hiện ảnh chụp buồng chân không đặt thuyền điện trở chứa các
vật liệu cần bốc bay. Trong hình 2.4a là ảnh chụp vật liệu vàng nguyên chất. Thực
tế trong buồng chân không luôn có 3 thuyền điện trở riêng biệt, điều này cho phép
bốc bay 3 loại vật liệu khác nhau-có nghĩa là có thể tạo ra các hạt nano vàng bán
nguyệt đa lớp. Mỗi thuyền điện trở có một mặt nạ che chắn khi thuyền đó chưa
được bay hơi, khi chúng bay hơi thì, mặt nạ này sẽ mở ra cho phép hơi kim loại
bay lên và lắng đọng trên đế. Bằng cách điều khiển dòng điện qua các thuyền điện
trở này chúng ta có thể điều khiển độ dày của lớp kim loại bán trên đế. Trong thí
nghiệm của tôi, trước tiên một lớp crom có độ dầy khoảng 2 nm được bốc bay-nó
giúp cho tăng độ bám dính giữa lớp vàng và hạt nano từ, tiếp đến là hơi nguyên
tử vàng được bay lên tạo thành một lớp phủ hạt nano từ dầy 30nm. Chú ý là, lớp
kim loại crom không làm ảnh hưởng đến tính chất quang của hạt nano. Hình 2.4b
là ảnh chụp tôi làm thí nghiệm tại phòng sạch tại Trung tâm công nghệ nano và
năng lượng-Trường Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHQG HàNội.

23