Chế tạo và nghiên cứu tính quang của nano và định hướng ứng dụng trong y sinh (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HOÀNG LONG

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH QUANG
CỦA NANO VÀNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG
TRONG Y SINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Thái Nguyên, năm 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HOÀNG LONG

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU
TÍNH QUANG CỦA NANO VÀNG, ĐỊNH HƯỚNG ỨNG
DỤNG TRONG Y SINH

Chuyên ngành: Quanh học
Mã số: 8440110

Cán bộ hướng dẫn khoa học:
TS. TRẦN QUANG HUY

Thái Nguyên, năm 2018

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Trần Quang Huy,
người thầy đã tận tình dạy bảo, tạo mọi điều kiện thuận lợi về kiến thức, về
phương pháp nghiên cứu khoa học, về trang thiết bị … để tôi hoàn thành đề tài
luận văn thạc sĩ. Mặc dù thời gian làm việc với thầy không nhiều nhưng thầy dạy
cho tôi nhiều bài học về tính nghiêm túc, tính chính xác, lòng nhiệt tình, niềm
đam mê với khoa học và đặc biệt là tinh thần trách nhiệm rất vô tư của thầy đối
với các học viên.
Tôi xin chân thành cảm ơn anh Đào Trí Thức – NCS Trường Đại học Sư
phạm Hà Nội, chị Nguyễn Thanh Thủy và anh Phạm Văn Chung – Viện Vệ sinh
Dịch tễ Trung ương. Các anh, các chị mặc dù không phải nhận nhiệm vụ hướng dẫn
tôi hoàn thành đề tài nhưng luôn chỉ bảo tôi nhiệt trong suốt quá trình tôi làm việc
tại PTN Siêu cấu trúc của Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa học,
Ban chủ nhiệm Khoa Vật lí – Công Nghệ, Trường Đại học Khoa học, Đại học
Thái Nguyên; Ban Giám hiệu, tổ Vật lí – KTCN trường THPT Thái Phiên – TP Hải
Phòng đã luôn tạo điều kiện thuận lợi cho tôi về mặt thời gian biểu để tôi hoàn thành
đề tài này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới Ban giám đốc; Ban chủ nhiệm khoa;
PTN Siêu cấu trúc và các anh chị thuộc Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương đã luôn
tạo những điệu kiện tốt nhất về mọi mặt để hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện
đề tài.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp
đã luôn ủng hộ và cổ vũ để tôi hoàn thành tốt luận văn của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 30 tháng 9 năm 2018
Tác giả luận văn

Hoàng Long

i


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN…...………………………………………………………………………….i
LỜI CAM ĐOAN……...…………………………………………………………………..ii
MỤC LỤC ............................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................................ v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................. vii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ........................................................................... 5
1.1. Sơ lược về công nghệ nano ....................................................................................... 5
1.2. Nano vàng. ................................................................................................................. 6
1.2.1. Tính chất của nano vàng ..................................................................................... 7
1.2.2. Ứng dụng của nano vàng..................................................................................... 9
1.3. Các phương pháp chế tạo nano vàng. ................................................................... 10
1.3.1. Phương pháp khử hóa học. ................................................................................ 10
1.3.2. Phương pháp sinh học. ...................................................................................... 11
1.3.3. Phương pháp vật lí. ........................................................................................... 11
1.3.4. Phương pháp điện hóa....................................................................................... 12
1.4. Lý do lựa chọn chế tạo nano vàng bằng phương pháp pháp điện hóa.............. 13
1.5. Kết luận. .................................................................................................................. 14
Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP ................................................................. 15
2.1. Vật liệu. .................................................................................................................... 15
2.1.1. Hóa chất, nguyên vật liệu. ................................................................................. 15
2.1.2. Thiết bị. .............................................................................................................. 15
2.2. Quy trình chế tạo nano vàng. ................................................................................ 15
2.3. Khảo sát đặc trưng lí-hóa của dung dịch nano vàng. .......................................... 16

2.3.1. Phương pháp đo phổ hấp thụ UV-vis. ............................................................... 16
2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua. .......................................................... 17

ii


2.3.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét...................................................................... 18
2.3.4. Phương pháp phân tích thành phần (EDX). ...................................................... 20
2.3.5. Phương pháp nhiễu xạ tia X. ............................................................................. 21
2.3.6. Phương pháp đo thế Zeta. ................................................................................. 23
2.4. Chức năng hóa nano vàng với kháng thể. ............................................................ 24
2.5. Đánh dấu và phát hiện vi khuẩn E.coli O157 bằng nano vàng. ......................... 25
2.6. Kết luận. .................................................................................................................. 26
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .......................................................................... 27
3.1. Chế tạo hạt nano vàng bằng phương pháp điện hóa. .......................................... 27
3.1.1. Sự hình thành nano vàng quan sát bằng mắt thường. ....................................... 27
3.1.2. Sự hình thành nano vàng khảo sát bằng UV-vis. .............................................. 29
3.1.3. Kích thước hạt nano vàng quan sát bằng TEM. ................................................ 34
3.1.4. Hình thái hạt nano vàng quan sát bằng SEM. ................................................... 38
3.1.5. Thành phần hạt nano vàng phân tích bằng EDX .............................................. 40
3.1.6. Cấu trúc tinh thể nano vàng phân tích bằng nhiễu xạ tia X. ............................. 41
3.1.7. Thế Zeta của dung dịch nano vàng. ................................................................... 42
3.2. Khả năng đánh dấu và phát hiện E.coli O157. .................................................... 43
3.3. Kết luận ................................................................................................................... 45
KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................................ 46
KIẾN NGHỊ ....................................................................................................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................. 48

iii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TT

Viết tắt

Giải nghĩa

1.

AuNPs

Nano vàng

2.

CTAB

Tetradodecylammonium bromide

3.

DLS

Tán xạ ánh sáng động học (Dynamic Light Scattering)

4.

E.coli

Escherichia coli

5.

EDX

Tán xạ năng lượng tia X

6.

SEM

Hiển vi điện tử quét

7.

TEM

Hiển vi điện tử truyền qua

8.

XRD

Giản đồ nhiễu xạ tia X

9.

UV-vis

Quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Kích thước của vật liệu nano được phân bố từ 1-100 nm........

5

Hình 1.2. Cấu trúc lập phương tâm mặt tinh thể Au …...…………..…..

6

Hình 1.3. Mô hình biểu diễn sự tương tác của sóng điện từ và các hạt nano
vàng, các electron trên bề mặt hạt nano gây tạo ra hiện tượng cộng hưởng
bề mặt [2]……………………………………….………………….

7

Hình 1.4. Màu sắc của dung dịch nano vàng theo kích thước của hạt

8

Hình 1.5. Ứng dụng của hạt nano vàng trong y sinh học ……………..

10

Hình 1.6. Quá trình khử từ muối vàng HAuCl4 thành nano vàng …......

11

Hình 1.7. Mô hình bắn phá laser để tạo ra nano vàng .………...............

12

Hình 1.8. Mô hình chế tạo nano vàng bằng phương pháp điện hóa ……

13

Hình 2.1. Mô hình chế tạo dung dịch nano vàng……………………….

16

Hình 2.2. Máy quang phổ UV-vis ……………………………………..

17

Hình 2.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (JEM 1010, JEOL) …………

18

Hình 2.4. Kính hiển vi điện tử quét (S-4800, Hitachi) …………………

19

Hình 2.5. Thiết bị phân tích EDX (EMAX-Horiba) gắn trên kính hiển vi
điện tử quét (S-4800, Hitachi)………………………………………….

21

Hình2.6. Máy nhiễu xạ tia X …………………………………………

22

Hình2.7. Thiết bị đo thế Zeta ………………………………………….

23

Hình 2.8. Quy trình gắn kháng thể với hạt nano vàng…………………..

24

Hình 2.9. Phức hợp kháng thể-hạt vàng (1) và đánh dấu với vi khuẩn để
quan sát trên kính hiển vi điện tử truyền qua (2)…………………………

24

Hình 3.1. Sự thay đổi màu sắc trong dung dịch nano vàng chế tạo ở các
điện áp khác nhau………………………………………………………..

26

Hình 3.2. Sự thay đổi màu sắc của dung dịch nano vàng chế tạo tại các
nồng độ natri citrate khác nhau…………………………………………

v

27

Hình 3.3. Sự thay đổi màu sắc trong dung dịch nano vàng theo thời gian
chế tạo………………………………………………………………...

28

Hình 3.4. Phổ hấp thụ UV-vis của dung dịch nano vàng chế tạo ở các
điện áp khác nhau………………………………………………………

29

Hình 3.5. Phổ hấp thụ UV-vis của dung dịch nano vàng chế tạo ở các
nồng độ natri citrate khác nhau……………………………………….

30

Hình 3.6. Phổ hấp thụ UV-vis của dung dịch nano vàng theo thời gian chế
tạo…………………………………………………………
Hình 3.7. Phổ hấp thụ UV-vis của nano vàng theo thời gian lưu giữ……

31
32

Hình 3.8. Hình ảnh TEM của các hạt nano vàng chế tạo sau 2 giờ tại ở
các mức điện áp khác nhau, nồng độ natri citrate 0,1% không đổi……....

34

Hình 3.9. Hình ảnh TEM hạt nano vàng chế tạo với điện áp 9V sau 2 giờ

tương ứng với nồng độ natri citrate thay đổi (cột trái), và sau các mức

35

thời gian khác nhau của mẫu 9V và nồng độ natri citrate 0,1% (cột phải)
Hình 3.10. Hạt nano vàng chế tạo tại 9V, nồng độ natri citrate 0,1% sau

37

2 giờ tại thời điểm ngay sau khi chế tạo và sau 6 tháng lưu giữ ở 40C…
Hình 3.11. Ảnh SEM cho thấy các hạt nano vàng chế tạo được hình cầu,
kích thước hạt nằm trong dải 15- 20 nm…………………………………

39

Hình 3.12. Phổ EDX xác nhận thành phần và độ sạch của nano vàng sau
chế tạo…………………………………………………………………..

40

Hình 3.13. Giản đồ nhiễu xạ tia X của nano vàng sau khi chế tạo bằng
phương pháp điện hóa…………………………………………………...

41

Hình 3.14. Thế zeta của dung dịch nano vàng được lưu giữ sau 6 tháng
của mẫu chế tạo 2 giờ ở điện áp 9V và nồng độ natri citrate 0,1%...........

42

Hình 3.15. Cộng hợp nano vàng sau khi chức năng hóa với kháng thể đa
dòng kháng vi khuẩn E.coli O157………………………………………..

43

Hình 3.16. Vi khuẩn E.coli O157 trước (ảnh trái) và sau khi gắn kết với
cộng hợp nano vàng gắn kháng thể (ảnh phải)………………………….

vi

44


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Thế Zeta và phân bố kích thước hạt nano vàng trong dung
dịch …………………………………………………………………….

vii

43


MỞ ĐẦU
Trong hơn hai thập kỷ vừa qua, vật liệu nano nói chung và nano vàng nói
riêng được các nhà nghiên cứu, nhà công nghệ đặc biệt quan tâm và phát triển
[7]. Ở kích thước nano, vàng bộc lộ những tính chất đặc biệt so với ở dạng khối,
đặc biệt là hiệu ứng plasmon bề mặt, độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ phản quang cao,
và tương thích với các phần tử sinh học. Chính vì vậy, nano vàng được ứng dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhất là tiêu diệt tế bào ung thư, dẫn thuốc tới tế bào
đích, chụp ảnh sinh học hay chẩn đoán tác nhân gây bệnh và các ứng dụng y sinh

học khác [3].
Năm 1857, Faraday lần đầu tiên công bố khả năng tạo keo vàng bằng cách
dùng phốt pho khử AuCl4-, từ đó tới nay đã có nhiều kỹ thuật khác nhau được
phát triển để tạo keo vàng như phương pháp hóa học, phương pháp vật lý và
phương pháp sinh học [5], [8]. Mỗi phương pháp có những ưu và nhược điểm
khác nhau liên quan đến chi phí, thời gian tạo mẫu, sự ổn định và phân bố kích
thước hạt cũng như mục đích ứng dụng. Ngày nay, phương pháp khử hóa học
được sử dụng phổ biến nhất để chế tạo nano vàng. Phương pháp này có quá trình
thực nghiệm đơn giản và có thể điều khiển được kích thước hạt [9]. Tuy nhiên,
đây là phương pháp sử dụng những hóa chất đắt tiền, khả năng sẵn có của muối
vàng tinh khiết và hóa chất khử cũng là vấn đề cần được quan tâm. Tiếp theo,
việc kiểm soát hóa chất tồn dư (chưa phản ứng hết), độ pH hay độ sạch của nano
vàng sau khi chế tạo là một trong những thách thức của người làm công nghệ.
Trên thực tế, phương pháp vật lý cũng được sử dụng và có thể tạo ra số lượng lớn
các hạt nano vàng từ vàng khối [5], [10]. Tuy nhiên, chi phí cho các trang thiết
bị chế tạo thường tốn kém và khó kiểm soát được kích thước. Một trong những
phương pháp thân thiện với môi trường để chế tạo nano vàng là phương pháp sinh
học cũng được quan tâm và phát triển trong thời gian gần đây [11], [12]. Phương
pháp này sử dụng các chiết xuất từ thực vật hay vi khuẩn để khử muối vàng thành
vàng nguyên tử, từ đó hình thành các hạt nano. Hạn chế chính của phương pháp
1


này là khó khăn trong việc tạo ra được số lượng lớn hạt nano và kiểm soát kích
thước. Một số phương pháp kết hợp lý hóa như quang hóa hay điện hóa cũng
được phát triển để chế tạo nano vàng [13], [14]. Tuy nhiên, tính ưu việt của
những phương pháp này vẫn chưa được thể hiện rõ ràng.
Vấn đề đặt ra đối với các nhà khoa học và công nghệ là làm sao phát triển
được phương pháp chế tạo hạt nano một cách hiệu quả, kiểm soát được chất lượng
nguyên liệu đầu vào và sản phẩm đầu ra, phát huy được những ưu điểm và giảm

thiểu được những hạn chế của các phương pháp truyền thống. Do đó, hướng
nghiên cứu quan tâm gần đây về nano nói chung và nano vàng nói riêng thường
tập trung vào việc tạo ra số lượng lớn, có khả năng điều khiển kích thước, nguồn
nguyên liệu sẵn có, độ sạch cao, tính chất lí hóa vượt trội và thân thiện với môi
trường, đặc biệt không có chất tồn dư độc hại trong sản phẩm.
Một trong những phương pháp chế tạo nano vàng tiềm năng có thể đạt
được những tiêu chí như trên là phương pháp điện hóa [6], [15], [16], [17], [18].
Phương pháp này có khả năng kiểm soát được độ sạch của sản phẩm do hoàn toàn
kiểm soát được chất lượng nguyên liệu đầu vào, điều khiển được kích thước và
chí phí thấp. Tuy nhiên, theo tìm hiểu của tác giả, không có nhiều những công bố
về phương pháp chế tạo nano vàng sử dụng phương pháp điện hóa. Tương tự các
phương pháp chế tạo khác, khó khăn lớn nhất của phương pháp này là tìm được
các điều kiện chế tạo thích hợp và tạo được hạt nano ở dải kích thước hẹp theo
mục đích sử dụng. Ngoài ra, đối với các hạt nano nói chung, tìm ra quy trình phù
hợp để chức năng hóa chúng với các phần tử sinh học hướng đích cho các ứng
dụng khác nhau trong y sinh luôn gặp nhiều thách thức.
Ngoài ra, giá thành nguyên vật liệu cũng là vấn đề cần quan tâm, theo trang
điện tử của Sigma Aldrich, với 100 mL nano vàng kích thước khoảng 10 nm (6 x
1012 hạt/mL) có giá thành khoảng 400 đô la Singapore [19]. Do vậy, việc chủ
động được nguồn nguyên liệu, nắm bắt được phương pháp chế tạo phù hợp và
chức năng hóa thành công nano vàng sạch không chỉ là khám phá ra phương pháp
2


chế tạo mới mà còn chủ động tạo ra nguồn cung nano vàng ổn định, giá thành rẻ
cho những ứng dụng trong điều trị và chẩn đoán mầm bệnh, đặc biệt là khi đưa
những vật liệu này vào trong cơ thể người hay động vật.
Đề tài nghiên cứu được xây dựng trên cơ sở tham khảo những tài liệu liên
quan đã công bố trong và ngoài nước; thành công của nhóm nghiên cứu được
phát triển bởi TS. Trần Quang Huy về ứng dụng công nghệ điện hóa trong chế

tạo hạt nano kim loại từ dạng khối [20], [21]. Việc tạo ra nano vàng sạch từ lá
vàng khối sẽ giúp các nhà khoa học chủ động hơn trong việc nghiên cứu và triển
khai ứng dụng liên quan đến nano vàng.
Xuất phát từ những lý do trên, cùng với ðiều kiện trang thiết bị hiện có của
phòng thí nghiệm và sự định hướng của Thầy hướng dẫn, tôi đã lựa chọn chủ đề
"Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của nano vàng, định hướng ứng dụng
trong y sinh" làm đề tài của luận văn.
Mục tiêu của đề tài:
- Chế tạo thành công nano vàng có dải kích thước dưới 20 nm từ vàng khối
bằng phương pháp điện hóa, định hướng ứng dụng trong y sinh;
- Khảo sát tính chất quang của nano vàng chế tạo bằng phương pháp điện
hóa ở các điều kiện khác nhau.
Phương pháp nghiên cứu: Nano vàng được chế tạo bằng phương pháp điện hóa.
Các tính chất lí-hóa của nano vàng được khảo sát theo điện áp sử dụng, nồng độ
natri citrate, thời gian chế tạo và thời gian lưu giữ. Sử dụng các trang thiết bị
phòng thí nghiệm để phân tích như UV-vis, kính hiển vi điện tử truyền qua, kính
hiển vi điện tử quét, phổ tán xạ năng lượng tia X, nhiễu xạ tia X và thế Zeta. Khảo
sát khả năng đánh dấu vị trí kháng nguyên vi khuẩn bằng nano vàng sử dụng kỹ
thuật miễn dịch hiển vi điện tử.
Bố cục luận văn:
3


Mở đầu
Chương 1: Tổng quan lý thuyết.
Trình bày tổng quan về công nghệ nano vàng và ứng dụng; quy trình chức
năng hóa nano vàng với kháng thể; đánh dấu và phát hiện vi khuẩn E.coli O157
bằng nano vàng; tổng hợp tài liệu công bố mới nhất để chỉ ra ưu nhược điểm của
các phương pháp chế tạo nano vàng hiện có, đề xuất vấn đề nghiên cứu mà luận
văn sẽ giải quyết.

Chương 2: Vật liệu và phương pháp
Trình bày về nguyên vật liệu, hóa chất và trang thiết bị thí nghiệm cần thiết;
Quy trình chế tạo nano vàng; Phương pháp khảo sát các trưng lí-hóa của nano
vàng như phổ hấp thụ (UV-Vis), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện
tử quét (SEM) và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX); Nhiễu xạ tia X; Thế Zeta.
Chức năng hóa nano vàng với kháng thể; Đánh dấu và phát hiện vi khuẩn E.coli
O157 bằng nano vàng; Sử dụng phương pháp miễn dịch hiển vi điện tử để xác
định khả năng đánh dấu vi khuẩn bằng nano vàng.
Chương 3: Kết quả và bàn luận
Trình bày những kết quả nghiên cứu đã đạt được về những yếu tố ảnh
hưởng đến sự hình thành, cấu trúc, hình thái, các đặc trưng quang học của nano
vàng và thử nghiệm khả năng sử dụng hạt nano vàng để chức năng hóa với các
loại kháng thể kháng mầm bệnh khác nhau.
Kết luận chung và kiến nghị
Tóm tắt những kết quả nổi bật mà luận văn đã đạt được. Những kiến nghị của
luận văn.

4


Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1. Sơ lược về công nghệ nano
Trong hơn 20 năm qua, công nghệ nano đã đạt được những thành tựu vượt
bậc do nhận được sự quan tâm và phát triển rất mạnh mẽ của các nhà khoa học
trên toàn cầu [22].
Trong cuộc cách mạng 4.0, công nghệ nano được coi là một trong những
công nghệ tiên phong, chúng liên quan mật thiết đến việc chế tạo, phân tích, thiết
kế và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng cách điều khiển kích thước,
hình dạng vật liệu ở cấp độ nano mét (1-100 nm). Ở thế giới nano, vật liệu thể
hiện những đặc tính hoàn toàn khác biệt so với chúng khi ở dạng khối (Hình 1.1)

Hình 1.1. Kích thước của vật liệu nano từ 1-100 nm [23]
Ở kích thước nano mét (nm), số nguyên tử trên bề mặt vật liệu so với tổng
số nguyên tử chiếm tỉ lệ đáng kể, tạo ra những hiệu ứng liên quan đến bề mặt
(hiệu ứng bề mặt), dẫn đến tính chất có nhiều khác biệt so với chính vật liệu này
ở dạng khối [24]. Nhờ những tính chất đặc biệt ấy, vật liệu nano đã được nghiên
cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực phục vụ đời sống như y học, chế phẩm sinh
học, mỹ phẩm, dệt may, vũ trụ và công nghiệp điện tử và dân dụng…
Báo cáo năm 2010 cho thấy tình hình phát triển của công nghệ nano trên
thế giới tăng trưởng đều đặn hàng năm khoảng ~25% [24]. Năm 2015, doanh thu
5


từ các sản phẩm do công nghệ nano mang lại đạt gần 30,4 tỷ đô la Mỹ và tiếp tục
tăng nhanh trong những tiếp theo [25].
1.2 . Nano vàng.
Trong bảng hệ thống tuần hoàn, vàng (Au) là kim loại quý đứng vị trí thứ
79 với cấu hình điện tử Xe5d106s và Xe5d96s2. Nguyên tử vàng có 2 mức năng
lượng 5d và 6s xấp xỉ nhau, tạo ra sự cạnh tranh giữa lớp d và lớp s [26]. Các
điện tử của Au có thể dịch chuyển ở cả hai trạng thái này. Chính vì thế, vàng có
tính dẻo đặc biệt do các điện tử rất linh động.
Ở trạng thái vàng khối, chúng có ánh kim, màu vàng, nhiệt độ nóng chảy
1.063,4 oC, nhiệt độ sôi là 2.880 oC, dẫn nhiệt (350 W/m.K), dẫn điện (40.107
Ω/m), bền trong không khí khô và ẩm. Mặc dù vậy, khi ở kích thước nano chúng
có tính chất quang, điện độc đáo và hoàn toàn khác biệt so với vật liệu vàng dạng
khối [19], [26]
Cấu trúc tinh thể của vàng dạng lập phương tâm mặt (Hình 1.2), trong
đó, mỗi nguyên tử Au liên kết với 12 nguyên tử vàng xung quanh và có hằng
số mạng là a = 4,0786 Å.

Hình 1.2. Cấu trúc lập phương tâm mặt tinh thể vàng [1]

6


1.2.1. Tính chất của nano vàng
a) Tính quang học
Trong khi kim loại vàng ở dạng khối có màu vàng thì ở kích thước nano (1100 nm), dung dịch chứa các hạt này có màu sắc thay đổi từ hồng nhạt đến đỏ tía
và tím than tùy theo kích thước và nồng độ của hạt (Hình 1.4). Sự thay đổi màu
sắc là do hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance SPR). Khi ánh sáng tác động lên bề mặt hạt nano, các electron tự do của kim loại
bị kích thích và ngay lập tức tạo ra một điện từ trường dao động, chúng bị dồn về
một phía và tạo ra sự phân cực [2]. Sự dao động này được gọi là “plasmon”. Đối
với tinh thể kim loại, thông thường các dao động nhanh chóng bị dập tắt bởi các
sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể khi quãng đường tự do trung
bình của điện tử nhỏ hơn kích thước. Tuy nhiên, khi kích thước của kim loại nhỏ
hơn quãng đường tự do trung bình sẽ không còn hiện tượng dập tắt mà điện tử
sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt
nano là do sự dao động tập thể của các điện tử trong vùng dẫn khi tương tác với
bức xạ sóng điện từ. Quá trình dao động như vậy sẽ dẫn tới sự phân bố lại các
điện tử trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực tạo thành một lưỡng cực
điện. Do vậy, tần số cộng hưởng xuất hiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là
về hình dạng, kích thước và độ lớn của hạt nano cũng như môi trường xung quanh
(Hình 1.3).

Hình 1.3. Mô hình biểu diễn sự tương tác của sóng điện từ và các hạt nano vàng, các electron
trên bề mặt hạt nano gây tạo ra hiện tượng cộng hưởng bề mặt [2]
7


Ngoài ra, mật độ hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất quang (Hình 1.4).

Khi mật độ loãng thì coi như gần đúng với hạt tự do, nếu ở nồng độ cao thì phải
xét đến ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt [2], [26].

Hình 1.4. Màu sắc của dung dịch nano vàng theo kích thước của hạt [27]

b) Tính chất điện
Do mật độ điện tử tự do cao nên tính dẫn điện của kim loại nói chung và
nano vàng nói riêng thường lớn (điện trở nhỏ). Đối với vật liệu khối, độ dẫn được
giải thích dựa trên cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn. Điện trở của kim loại
do sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao
động nhiệt của nút mạng (phonon). Tập hợp các điện tử chuyển động trong kim
loại (dòng điện I) dưới tác dụng của điện trường (U) có liên hệ với nhau thông
qua định luật Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở của kim loại [1].
Định luật Ohm cho thấy đường I-U là một đường tuyến tính. Khi kích thước
của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lượng tử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu trúc
vùng năng lượng. Hệ quả của quá trình lượng tử hóa này đối với hạt nano là I-U
không còn tuyến tính nữa mà xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn
Coulomb (Coulomb blockade) làm cho đường I-U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc
sai khác nhau một lượng e/2C cho U và e/RC cho I, với e là điện tích của điện tử,
C và R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực [28].
8


c) Tính chất nhiệt.
Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các
nguyên tử trong mạng tinh thể. Khi kích thước hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy
sẽ giảm. Ví dụ: hạt vàng kích thước 2 nm có Tm = 500°C, kích thước 6 nm có Tm
= 950°C [19].
d) Tính chất xúc tác nano vàng trên chất mang
Nano vàng có khả năng xúc tác. Tuy nhiên, một số yếu tố ảnh hưởng

đến hoạt tính xúc tác của chúng vẫn chưa được hiểu một cách đầy đủ. Hoạt
tính xúc tác của chúng thể hiện tốt nhất ở kích thước dưới 10 nm [29].
1.2.2. Ứng dụng của nano vàng
Nano vàng là một trong những vật liệu tiềm năng nhất được nghiên cứu
và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong truyền dẫn thuốc hướng đích
để điều trị bệnh, tạo ảnh sinh học, đánh dấu sinh học, phát hiện sinh học và chuẩn
đoán, đặc biệt là trong tiêu diệt tế bào ung thư [30]. Ngoài ra, nano vàng có thể
gắn với kháng thể kháng mầm bệnh, từ đó có thể đánh dấu hoặc phát hiện chính
xác sự có mặt của mầm bệnh trong mẫu phân tích [31]. Khi sử dụng làm chất chỉ
thị trong các que thử nhanh, nano vàng sẽ hoạt động dựa trên nguyên lí miễn dịch
học hay còn được gọi là kĩ thuật sắc kí miễn dịch, góp phần làm tăng độ nhạy của
kỹ thuật và rút ngắn thời gian phát hiện [32].

9


Hình 1.5. Ứng dụng của hạt nano vàng trong y sinh học [3]
1.3. Các phương pháp chế tạo nano vàng.
1.3.1. Phương pháp khử hóa học.
Phương pháp khử hóa học, đặc biệt là phương pháp Turkevich được sử
dụng phổ biến nhất. Các phương pháp khử hóa học chủ yếu sử dụng muối vàng
HAuCl4 để làm tiền chất sau đó sử dụng các chất khác nhau để khử Au3+ thành
Au0. Dung dịch ban đầu thường là muối vàng như HAuCl4. Chất khử như axit
citric, vitamin C, natri borohydride (NaBH4), cồn, etylen glycol. Phương pháp
này đơn giản nhưng lại bị giới hạn bởi tính sẵn có của tiền chất ban đầu, giá thành
và độ sạch của sản phẩm cuối cùng [2], [33].

10

Hình 1.6. Quá trình khử từ muối vàng HAuCl4 thành nano vàng [4]
1.3.2. Phương pháp sinh học.
Tương tự như phương pháp khử hóa học, phương pháp này sử dụng chiết
xuất từ thực vật hay một số vi khuẩn để khử muối HAuCl4 thành hạt nano vàng
[11], [12], [34]. Đây là phương pháp tự nhiên, đơn giản với chi phí thấp để sản
xuất nano vàng mà hạn chế được sự tồn dư các độc chất. Tuy nhiên, hàm lượng
nano vàng chế tạo được thường thấp và khó kiểm soát được kích thước.
1.3.3. Phương pháp vật lí.
Đây là phương pháp "từ trên xuống", biến đổi vàng khối thành nano vàng
(Hình 1.7). Nhờ một hệ quang học, chùm laser được hội tụ lên bề mặt tấm kim
loại Au đặt trong một bình chứa nước hoặc cồn để bứt phá các nguyên tử hay tinh
thể nano vàng từ tấm vàng khối [5].

11


Hình 1.7. Mô hình bắn phá laser để tạo ra nano vàng [5]
1.3.4. Phương pháp điện hóa.
Năm 2006, nhóm nghiên cứu của Huang và cộng sự [6] đã chế tạo thành
công nano vàng với kích thước ~40nm bằng phương pháp điện hóa. Phương pháp
này sử dụng một điện cực vàng (anot), một điện cực platine (catot) và 0,08M
muối CTAB. Trong quá trình điện phân, vàng bị oxi hóa ở anot và dịch chyển về
phía catot nơi xảy ra sự khử và sự hình thành các nguyên tử vàng. Quá trình được
thực hiện trong điều kiện rung siêu âm để kiềm chế sự bám lại của các nguyên tử
vàng lên catot. Các nguyên tử vàng được chất hoạt động bề mặt trong dung dịch
(muối CTA) bao bọc và hình thành các hạt nano vàng.

12

Hình 1.8. Mô hình chế tạo nano vàng bằng phương pháp điện hóa [6]
Ngoài ra, một số phương pháp chế tạo nano vàng khác cũng liên tục được
các nhà khoa học trên thế giới công bố [35]. Tuy nhiên, sau khi nano vàng được
chế tạo, chúng cần được chức năng hóa với các phần tử sinh học để hướng tới
mục đích ứng dụng cụ thể [36].
1.4. Lý do lựa chọn chế tạo nano vàng bằng phương pháp pháp điện hóa.
Trong những năm gần đây, nhóm nghiên cứu của TS. Trần Quang Huy
đã công bố chế tạo thành công nano bạc bằng phương điện hóa từ thanh bạc khối
trong nước cất 2 lần, với sự hỗ trợ của natri citrate và nguồn điện áp một chiều
[20], [21]. Kích thước của hạt nano bạc có thể điều khiển được bằng điện áp,
nồng độ citrate và thời gian chế tạo. Ngoài ra, tham khảo từ các phương pháp
chế tạo nano vàng bằng phương pháp điện hóa cũng cho thấy dung dịch nano
vàng tổng hợp được có độ sạch cao, phương pháp thân thiện với môi trường và
điều kiện thí nghiệm đơn giản [15], [16], [18]. Kh i phát tri ển th ành công
13


p hương pháp này hứa hẹn một cách thức tiếp cận mới, đơn giản để chủ động tạo
ra nguồn nano vàng sạch cho các mục đích ứng dụng khác nhau, đặc biệt là trong
lĩnh vực y sinh học.
1.5. Kết luận.
Trong chương này, chúng tôi giới thiệu một cách ngắn ngọn những kiến
thức nền tảng và dẫn dắt tới vấn đề nghiên cứu. Đặc biệt là làm rõ tại sao lại lựa
chọn chủ đề nghiên cứu này làm đề tài luận văn. Chương này đã đề xuất một
phương pháp mới đó là phương pháp điện hóa để chế tạo hạt nano vàng từ thanh
vàng khối trong nước cất. Sự thành công của nghiên cứu sẽ đưa ra được một
phương pháp chế tạo nano vàng thân thiện với môi trường, điều kiện chế tạo đơn
giản, có khả năng áp dụng để sản xuất trên quy mô công nghiệp, hứa hẹn tạo ra
nguồn nano vàng sạch, chủ động cho các nghiên cứu liên quan và mang lại hiệu
quả kinh tế cao.

14


Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
2.1. Vật liệu.
2.1.1. Hóa chất, nguyên vật liệu.
Hai thanh vàng (Au), độ sạch 99,99%, mua từ một Công ty vàng bạc tại Hà
Nội, có kích thước 70 mm x 5 mm x 0,2 mm (dài x rộng x dày). Natri citrate
Na3C6H5O7 từ Sigma Aldrich.
Chủng vi khuẩn gây bệnh đường ruột (Escherichia coli O157); thạch
Luria–Bertani (LB) đến nuôi vi khuẩn. Các vật liệu sinh học này được cung cấp
bởi Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương.
Bình thủy tinh loại 60 ml,100 ml và 500 ml; các ống dùng để đựng dung
dịch; pipét các loại; ống falcol 15 ml và 50 ml; ống ly tâm eppendorf 1,5 ml; lưới
đồng (200mắt) phủ màng colodion – cacbon; giấy nhôm (aluminum foil); cồn tuyệt
đối, nước cất 2 lần và các nguyên vật liệu liên quan khác đảm bảo điều kiện cho
việc phân tích.
2.1.2. Thiết bị.
Máy khuấy từ gia nhiệt (RH B-T/IKA); cân phân tích (TE214S/Sartorius);
máy khuấy siêu âm (RK 102 CH/Bandelin); máy ly tâm (H1300, Nhật Bản);
máylắc(MX-S/EMCLab).
Đồng hồ vạn năng đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế; bộ nguồn cung
cấp điện áp một chiều có thể thay đổi giá trị từ 0 đến 15V (bước thay đổi 1V); tủ
lạnh Sanyo.
2.2. Quy trình chế tạo nano vàng.
Hai thanh vàng (Au) được rửa sạch bằng nước cất hai lần rồi cho vào máy
rung siêu âm 15 phút để loại bỏ hoàn toàn bụi bẩn bám dính trên bề mặt. Sau đó,
nối hai thanh với hệ điện hóa đặt trên máy khuấy từ. Trong đó, một thanh đóng vai
trò làm anốt và thanh còn lại là catốt, khoảng cách giữa hai điện cực cách nhau 2

15


cm. Sau đó, 50 ml nước cất hai lần được thêm vào bình điện hóa sao cho 2 điện
cực ngập trong nước 50 mm (Hình 2.1), thêm vào bình một nồng độ natri citrate
thích hợp, khuấy từ 20 phút để natri citrate hòa tan hoàn toàn vào trong dung dịch.
Hệ điện hóa đã thiết lập được cấp nguồn điện một chiều có khả năng thay đổi điện
áp từ 0-15V và duy trì khuấy từ nhẹ trong suốt quá trình chế tạo. Trong quá trình
chế tạo, dung dịch trong bình sẽ chuyển từ màu trắng trong sang màu hồng và ổn
định ở màu tím nhạt. Tùy theo điều kiện khảo sát từ 1-3 giờ, ngắt nguồn điện và
nhấc hai thanh vàng ra khỏi bình điện hóa.

Thanh vàng

Natri
citrate
trong nước cất
2 lần

2 cm

5 cm
7 cm

Con quay
Máy khuấy từ

Hình 2.1. Mô hình chế tạo dung dịch nano vàng.
2.3. Khảo sát đặc trưng lí-hóa của dung dịch nano vàng.

2.3.1. Phương pháp đo phổ hấp thụ UV-vis.
UV-vis (Ultraviolet–visible spectroscopy) là phương pháp phân tích dựa
trên hiệu ứng hấp thụ khi vật chất trong dung dịch tương tác với bức xạ điện từ
(Hình 2.2). Trong đó, bức xạ điện từ trong phép phân tích có bước sóng từ vùng
cực tím đến vùng ánh sáng khả kiến (thông thường: 180 nm – 1100 nm). Do nano
vàng có các thuộc tính quang học bề mặt phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và
nồng độ của hạt, nên có thể dựa trên các đỉnh hấp thụ UV-vis để xác định sự hình
thành hạt nano sau khi chế tạo.
16