Chế tạo và nghiên cứu tính quang của nano và định hướng ứng dụng trong y sinh

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


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Trần Quang Huy,
người thầy đã tận tnh 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 tnh, niềm
đam mê với khoa học và đặc biệt là tnh 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

ii


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

3


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 Scatering)

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

4


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Kích thước của vật liệu nano được phân bố từ 1-100 nm........
Hình 1.2. Cấu trúc lập phương tâm mặt tnh thể Au …...…………..…..

5

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 ……
Hình 2.1. Mô hình chế tạo dung dịch nano vàng……………………….
Hình 2.2. Máy quang phổ UV-vis ……………………………………..

13

16

17

Hình 2.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (JEM 1010, JEOL) …………
Hình 2.4. Kính hiển vi điện tử quét (S-4800, Hitachi) …………………

18
19

Hình 2.5. Thiết bị phân tích EDX (EMAX-Horiba) gắn trên kính hiển vi
điện tử quét (S-4800, Hitachi)………………………………………….
Hình2.6. Máy nhiễu xạ ta X …………………………………………
Hình2.7. Thiết bị đo thế Zeta ………………………………………….

21
22
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
24
quan sát trên kính hiển vi điện tử truyền qua (2)…………………………
Hình 3.1. Sự thay đổi màu sắc trong dung dịch nano vàng chế tạo ở các
điện áp khác nhau………………………………………………………..
Hình 3.2. Sự thay đổi màu sắc của dung dịch nano vàng chế tạo tại các
27
nồng độ natri citrate khác nhau…………………………………………
5

26


Hình 3.3. Sự thay đổi màu sắc trong dung dịch nano vàng theo thời gian
28
chế tạo………………………………………………………………...
Hình 3.4. Phổ hấp thụ UV-vis của dung dịch nano vàng chế tạo ở các

29

điện áp khác nhau………………………………………………………
Hình 3.5. Phổ hấp thụ UV-vis của dung dịch nano vàng chế tạo ở các
30
nồng độ natri citrate khác nhau……………………………………….
Hình 3.6. Phổ hấp thụ UV-vis của dung dịch nano vàng theo thời gian chế
31
tạo…………………………………………………………
Hình 3.7. Phổ hấp thụ UV-vis của nano vàng theo thời gian lưu giữ……

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
40
chế tạo…………………………………………………………………..
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%...........
Hình 3.15. Cộng hợp nano vàng sau khi chức năng hóa với kháng thể đa
dòng kháng vi khuẩn E.coli O157………………………………………..
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)………………………….

6

44

42

43


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
1


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

2


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 têu 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 tm 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
2


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

3


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 tnh chất quang của nano vàng, định hướng
ứng dụng trong y sinh" làm đề tài của luận văn.
Mục têu 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 ta 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.
4


Bố cục luận văn:

5

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.

6


Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1. Sơ lược về cô ng 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,

7


chế phẩm sinh học, mỹ phẩm, dệt may, vũ trụ và công nghiệp điện tử và dân
dụng…
Báo cáo năm 2010 cho thấy tnh hình phát triển của công nghệ nano trên
thế giới tăng trưởng đều đặn hàng năm khoảng ~25% [24]. Năm 2015, doanh
thu

8


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 tnh thể vàng [1]

9


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 tnh
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).

10


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]

11


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 tnh 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
12


của điện tử, C và R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực
[28].

13


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 tnh 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 tềm 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 têu 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].

14