Chế tạo và khảo sát các thông sô động học của các hạt nano vàng trong môi trường phức hợp

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

Hoàng Văn Quế

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ
ĐỘNG HỌC CỦA CÁC HẠT NANO VÀNG
TRONG MÔI TRƯỜNG PHỨC HỢP

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Thái Nguyên - 2019


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

Hoàng Văn Quế

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC
CỦA CÁC HẠT NANO VÀNG TRONG MÔI TRƯỜNG
PHỨC HỢP
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8840110
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Xuân Hòa
PGS.TS. Trần Hồng Nhung

Thái Nguyên - 2019
Học viên : Hoàng Văn Quế


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên
LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS. Vũ Xuân Hòa và
PGS.TS Trần Hồng Nhung đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình
nghiên cứu và thực hiện đề tài.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ban giám hiệu trường THPT Lê Văn Thịnh
nơi tôi đang công tác. Ban giám hiệu trường Đại học khoa học- Đại học Thái Nguyên , các
thầy cô khoa Vật lí và công nghệ trường Đại học khoa học đã tạo nhiều điều kiện thuận
lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu đề tài.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người đồng nghiệp
đã luôn động viên và khích lệ tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình.
Mặc dù đã cố gắng để hoàn thành đề tài nhưng không tránh khỏi những thiếu sót
nhất định. Em rất mong được sự đánh giá, nhận xét và đóng góp ý kiến của các thầy cô
giáo và các bạn đọc để đề tài được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, 12 tháng 6 năm 2019
Học viên

HOÀNG VĂN QUẾ

Học viên : Hoàng Văn Quế

Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH ẢNH
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU..............................................................................................................................1
Mục đích nghiên cứu
Vai trò và tính cấp thiết của đề tài
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..............................................................................................3
1.1. Tổng quan về các hạt nano vàng.................................................................................. 3
1.1.1. Tính chất quang của hạt nano vàng................................................................ 3
1.1.2. Một số phương pháp chế tạo hạt nano vàng ...................................................5
1.1.3. Một số ứng dụng của hạt nano vàng ...............................................................6
1.2 . Chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (Brown)...........................................................7
1.3. Phương pháp theo dõi đơn hạt......................................................................................10
1.3.1. Sự phát triển của SPT.....................................................................................11
1.3.2.Thiết lập hệ quang học cho SPT trong không gian 2 chiều (2D) và 3 chiều
(3D)..........................................................................................................................13
1.3.3. Phân tích dữ liệu............................................................................................14
1.3.4. Kết luận..........................................................................................................19
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
CHẾ TẠO , KHẢO SÁT VÀ THEO DÕI HẠT NANO VÀNG ................................. 20
2.1. Chế tạo hạt nano vàng .................................................................................................20
2.2. Các phương pháp khảo sát ..........................................................................................21
2.2.1. Kính hiển vi điện tử quét (SEM- Scanning Electron Microscope)................21
2.2.2. Phổ hấp thụ UV-Vis.......................................................................................23

2.2.3.Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi quang học trường tối ......25

Học viên : Hoàng Văn Quế


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

2.3. Quy trình theo dõi đơn hạt nano vàng trong môi trường phức hợp............................27
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...................................................................33
3.1. Hình thái, kích thước và phổ hấp thụ của nano vàng dạng cầu....................................33
3.2. Các thông số động học của hạt nano vàng trong môi trường phức hợp.......................34
3.2.1. Đánh giá độ nhớt của môi trường nước+glycerol...........................................34
3.2.2. Xác định hệ số khuếch tán (Dt)bằng phương pháp theo dõi đơn hạt..............36
3.2.3. Quãng đường dịch chuyển trung bình
<r(t)>....................................................42
3.2.4 .Vận tốc dịch chuyển trung bình <v(t)>...........................................................45
KẾT LUẬN........................................................................................................................49
PHỤ LỤC..........................................................................................................................50
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN...................53
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................53

Học viên : Hoàng Văn Quế


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1. Hệ số nhớt của môi trường hỗn hợp phụ thuộc vào lượng glycerol..................35
Bảng 3.2: Bảng thống kê hệ số khuếch tán cho 5 đơn hạt trong hỗn hợp nước +20%
glycerol.............................................................................................................................. 37
Bảng 3.3a. Hệ số khuếch tán D của 5 hạt nano vàng phụ thuộc vào lượng glycerol trong
dung dịch (Giá trị D trong bảng *10-12 m2/s )......................................................................
41
Bảng 3.3b. Hệ số khuếch tán trung bình của các hạt nano vàng phụ thuộc vào lượng
glycerol trong dung dịch
................................................................................................................. 42
Bảng 3.4a. Quãng đường dịch chuyển trung bình của 5 hạt nano vàng trong môi trường
hỗn hợp glycerol tương ứng (20%) ....................................................................................43
Bảng 3.4b . Quãng đường dịch chuyển trung bình của các hạt nano vàng trong từng môi
trường hỗn hợp glycerol .................................................................................................... 44
Bảng 3.5a. Vận tốc dịch chuyển trung bình của 5 hạt nano vàng trong cùng môi trường
hỗn hợp glycerol ................................................................................................................ 45
Bảng 3.5b. Vận tốc dịch chuyển trung bình của 5 hạt nano vàng trong từng môi trường
hỗn hợp glycerol
.......................................................................................................................45
Bảng 3.5c. Vận tốc dịch chuyển trung bình của nhiều hạt nano vàng trong từng môi
trường hỗn hợp glycerol
................................................................................................................46
Bảng 3.6. Thống kê chung các thông số động học trung bình của các hạt nano vàng trong
từng môi trường hỗn hợp glycerol khác nhau................................................................... 47

Học viên : Hoàng Văn Quế


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên
DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Màu của cốc
................................................3

phụ

thuộc

vào

vị

trí

chiếu

ánh

sáng

Hình 1.2. Ảnh kính hiển vi điện tử quét của các hạt nano vàng dạng thanh (A). Ảnh chụp
các dung dịch hạt nano vàng dạng thanh có kích thước khác nhau (B). Phổ dập tắt lasmon
tương ứng (C)...................................................................................................................... 4
Hình 1.3. Sơ đồ minh họa của SPT.....................................................................................
13
Hình 1.4. Sơ đồ quang học khác nhau cho SPT trong 2D và 3D.......................................
14
Hình 1.5. Ước lượng vị trí hạt và tính toán chính xác vị trí...............................................

15
Hình 1.6. Liên kết các vị trí và xây dựng quỹ đạo các hạt.................................................
16
Hình 1.7. Phân tích quỹ đạo và đường cong MSD.............................................................
18
Hình
2.1.Sơ
đồ
chế
tạo
Turkevitch.................................20
Hình
2.2.
Mô
hình
phản
Turkevitch..................................21

hạt
ứng

keo
xảy

vàng

bằng

phương

pháp

ra

trong

phương

pháp

Hình 2.3. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét ...........................................................22
Hình 2.4. Biểu diễn định luật Lamber-Beer.......................................................................24
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ UV-Vis hai chùm tia..................................25
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi trường tối. So sánh ảnh trường tối
với ảnh trường sáng........................................................................................................... 26
Hình 2.7. Cấu hình quang học của kính hiển vi trường tối phản xạ và truyền qua được sử
dụng để quan sát các hạt nano vàng ...................................................................................27
Hình 2.8. Sơ đồ minh họa quy trình theo dõi đơn hạt........................................................28

Học viên : Hoàng Văn Quế


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình
2.9.
Mở

video
theo
hạt..................................................................................29

dõi

đơn

Hình 2.10. Quan sát tất cả các quỹ đạo của các đơn hạt ( khung bên phải được phóng to
để

thấy

rõ

hơn

quỹ

đạo

dịch

chuyển

của

một

đơn

hạt

).............................................................30
Hình 2.11. Thông tin quỹ đạo đơn hạt (trajectory 19) xuất ra từ thuật toán của Mosaic
trong
không gian 2 chiều..............................................................................................................30

Học viên : Hoàng Văn Quế


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Hình 2.12. Quỹ đạo chuyển động của 1 đơn hạt theo thời gian .Các tọa độ x và y tạo
thành
các điểm ảnh ở mỗi khung hình (frame)cho 1 quỹ đạo của hạt nano..................................31
Hình 3.1. a) Ảnh các hạt nano vàng được chụp dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM). b)
Phổ hấp thụ plasmon của các hạt nano vàng tương ứng.
....................................................33
Hình 3.2. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm cho một hạt
nano vàng duy nhất (hạt số 1) có bán kính thủy động học Rh=14
nm............................................37
Hình 3.3. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm cho 4 hạt nano
vàng khác nhau trong hỗn hợp nước +20%
glycerol............................................................38
Hình 3.4. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm và khớp lý
thuyết cho 12 hạt nano vàng trong nước +20%
glycerol................................................................39

Hình 3.5. Bình phương dịch chuyển trung bình đo đạc bằng thực nghiệm cho các hạt nano
vàng trong các môi trường hỗn hợp nước có lượng glycerol khác nhau: a) 20%; b) 40%; c)
60%; d) 90%........................................................................................................................40
Hình 3.6 a) Thực nghiệm xác định MSDR và b) các giá trị D được suy ra từ hình a cho các
môi trường hỗn hợp glycerol tương ứng (20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70% và 90%).......42
Hình 3.7. Hình ảnh quỹ đạo của một hạt nano vàng ( hạt số 1)trong môi trường hỗn hợp
glycerol tương ứng (20%) ...................................................................................................43
Hình 3.8. Quãng đường dịch chuyển trung bình trong các môi trường hỗn hợp glycerol
tương ứng (20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70% và
90%).......................................................44
Hình 3.9. Các giá trị vận tốc dịch chuyển trung bình cho các môi trường hỗn hợp glycerol
tương ứng (20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70% và 90%)......................................................46

Học viên : Hoàng Văn Quế


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

K
S
T T
T ý ê ên
T
n ti
1 M M B
S e ì

2 S S P
P i h
3 P D H
S i đi
4 S
Kính
E
hiển
M
vi
Sq
Bình
5M
S u p
D a h
6 D D Hệ
if khu
7 < AQ
r v u
8 < A V
v v ậ

Học viên : Hoàng Văn Quế


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên
LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay công nghệ nano đang phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới nói chung và
trong nước ta nói riêng. Việc nghiên cứu các quá trình động học của các hạt nano trong
một môi trường đang được đặc biệt quan tâm vì từ đó nó mở ra nhiều ứng dụng trong các
môi trường giả sinh học và sinh học, đặc biệt là trong tế bào sống. Trên thế giới hiện
nay, hướng nghiên cứu Sinh học Quang tử (Biophotonics) với việc gắn kết các hạt nano
với các đối tượng sinh học đang phát triển rộng rãi sẽ hứa hẹn nhiều ứng dụng vào thực
tiễn. Do các chất đánh dấu trên cơ sở vật liệu nano với các ưu điểm vượt trội so với các
chất đánh dấu cổ điển như: độ bền quang, độ tương phản cao và bền trong môi trường
sinh học. Các ưu điểm đó của các chất đánh dấu nano tạo ra nhiều khả năng phát hiện các
đích sinh học với độ nhạy cao trong các điều kiện khác nhau từ đơn phân tử cho đến các
ứng dụng trong cơ thể người ...v.v. Nhiều nghiên cứu trên thế giới về tương tác giữa các
hạt nano vàng phát quang và các chất đánh dấu huỳnh quang đã được thực hiện như
BRET-FRET nano particles, sử dụng kỹ thuật FRET trên các hạt nano để phân tích
protein [1], … Hiên nay, sự tương tác giữa các chất đánh dấu huỳnh quang vẫn được tiếp
tục nghiên cứu trong các ứng dụng sinh học như nghiên cứu cấu trúc DNA [2]...v.v.
Công nghệ nano đang thay làm thay đổi cuộc sống của chúng ta nhờ vào khả năng
can thiệp của con người ở kích thước nano mét, tại đó, vật liệu nano thể hiện rất nhiều tính
chất đặc biệt và lý thú. Một nhánh quan trọng của công nghệ nano, đó là lí sinh học nano,
trong đó, vật liệu nano được sử dụng để chẩn đoán và điều trị bệnh. Lí sinh học nano đã
và đang được nghiên cứu rất mạnh mẽ nhờ vào khả năng ứng dụng rất linh hoạt và hiệu
quả của vật liệu nano. Tuy nhiên, việc hiểu biết và theo dõi đơn hạt nano vàng khi chúng
được đánh dấu vào tế bào sinh học hiện nay chưa có một nhóm chuyên gia nào nghiên
cứu sâu và chi tiết. Vấn đề này hiện vẫn còn rất mới mẻ và đòi hỏi cần có nhiều đầu tư
công sức vào đây. Trong đề tài này, trước tiên chúng tôi nghiên cứu các thông số động
học (hệ số khuếch tán dịch chuyển, quãng đường dịch chuyển trung bình ,vận tốc dịch
chuyển và bán kính thủy động lực học) của các đơn hạt nano vàng dạng cầu trong môi
trường phức hợp glycerol. Đây là môi trường giả sinh học (gần môi trường sinh học), do
đó việc nghiên cứu các thông số động học trong môi trường này sẽ giúp cho có cách
tiếp cận tốt trong việc
Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang

1


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

nghiên cứu các môi trường sinh học thực sự sau này. Tiếp đó, chúng tôi sẽ hướng đến
nghiên cứu động học của các hạt nano vàng trong môi trường tế bào sinh học.
Ở đây, chúng tôi giới thiệu một vật liệu quý đó là hạt nano vàng dạng cầu. Để
nghiên cứu động học của chúng, một phương pháp hữu hiệu được tiếp cận là phương pháp
theo dõi đơn phân tử (hay theo dõi đơn hạt). Phương pháp này còn rất mới và hiện nay
đang được đặc biệt quan tâm. Phương pháp theo dõi đơn phân tử dựa trên những quan sát
các quỹ đạo của các hạt. Tính toán các bình phương dịch chuyển trung bình, nhờ đó xác
định hệ số khuếch tán và vận tốc dịch chuyển là hai thông số quan trọng mà chúng tôi cần
quan tâm. Ở đây, chúng tôi theo dõi sự chuyển động của các đơn hạt nano vàng dạng cầu
trong dung dịch phức hợp có độ nhớt xác định, sử dụng kính hiển vi quang học trường tối
và camera CCD nhanh và nhạy. Các vị trí của các hạt nano được xác định thông qua công
cụ plugin de Mosaic để phát hiện các tín hiệu của mỗi hạt và quan sát được quỹ đạo
chuyển động của chúng, nhờ vào chương trình Matlab chúng tôi phân tích và tính toán
bình phương dịch chuyển trung bình được lấy từ số liệu thực nghiệm. Sau đó làm khớp
theo hàm tuyến tính từ lý thuyết chuyển động Brownian 2 chiều để xác định hệ số khuếch
tán dịch chuyển. Để nghiên cứu độ linh động của hạt nano vàng dạng cầu có kích thước
khác nhau chuyển động trong glycerol-nước, chúng tôi tiến hành đo đạc bán kính thủy
động lực học dựa vào công thức liên hệ Stock-Einstein. Sau cùng là xác định quãng
đường dịch chuyển và vận tốc dịch chuyển của từng hạt nano vàng dạng cầu duy nhất.
Từ các phân tích trên, tôi lựa chọn nghiên cứu đề tài “Chế tạo và khảo sát các thông

số động học của các hạt nano vàng trong môi trường phức hợp” là rất cần thiết và cần
được tiến hành thực hiện. Sự thành công của đề tài sẽ đóng góp rất quan trọng vào những
hiểu biết về cơ chế dịch chuyển và quay ngẫu nhiên của đơn hạt nano trong môi trường
phức hợp.
Báo cáo luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn bao gồm 3 chương chính
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Thực nghiệm: chế tạo, khảo sát và theo dõi hạt nano vàng
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang

2


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1.Tổng quan về các hạt nano vàng
1.1.1. Một số tính chất quang của các hạt nano vàng
Vàng là kim loại chuyển tiếp, kí hiệu Au, thuộc nhóm 11, chu kỳ 6 và phân lớp
d, vàng có số thứ tự 79 trong bảng hệ thống tuần hoàn. Khi ở dạng khối vàng là nguyên tố
kim loại có màu vàng, nhưng có thể có màu đen, hồng ngọc hay mầu tía khi được cắt
mỏng. Nó là kim loại mềm, dễ uốn, dễ dát mỏng nhất, thực tế 1g vàng có thể được dát
thành tấm
1m². Vàng không phản ứng với hầu hết các hoá chất nhưng lại chịu tác dụng của nước
cường toan để tạo thành muối cloroauric cũng như chịu tác động của dung dịch xyanua
của các kim loại kiềm. Kim loại này có ở dạng quặng hoặc dạng hạt trong đá và trong các

mỏ bồi tích. Đối với vật liệu vàng, chúng được sử dụng từ khoảng 5000 năm trước công
nguyên chủ yếu dưới dạng khối nhờ vào độ bền hóa học và màu sắc rực rỡ với ánh sáng
mặt trời. Bắt đầu từ khoảng thế kỉ 13, 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 [3].
Tới thế kỷ thứ 19, 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 1.1)

Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang

3


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Hình 1.1. Màu của cốc phụ thuộc vào vị trí chiếu ánh sáng [3]

Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang

4


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

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 là do hấp thụ và tán xạ plasmon bề
mặt.
Mặt khác, ta quan sát thấy rằng mầu sắc của dung dịch chứa các hạt nano vàng thay
đổi khi hình dạng của chúng thay đổi. Điều này được giải 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
[4]. (xem hình 1.2).

Hình 1.2. Ảnh kính hiển vi điện tử quét của các hạt nano vàng dạng thanh (A). Ảnh chụp
các dung dịch hạt nano vàng dạng thanh có kích thước khác nhau (B). Phổ dập tắt
plasmon tương ứng (C) .
Nội dung này mô tả các thuộc tính quang học của vật liệu nano vàng, có đặc tính
Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang

5

Luận văn thạc sĩ
Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên
plasmonic. Đối với các hạt nano vàng có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng kích
thích,

Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang

6


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

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 vàng có các tính chất plasmonic thú vị nhất trong vùng khả kiến và vùng hồng
ngoại gần. Sự trơ về mặt hóa học và sự tương thích sinh học của vàng làm cho nó trở
thành ứng viên sáng giá trong ứng dụng y sinh học.
1.1.2. Một số phương pháp chế tạo các hạt nano vàng
Trong đề tài này, tôi tập trung vào nghiên cứu các hạt nano vàng đơn nhất, do vậy tôi
sẽ giới thiệu một số phương pháp chế tạo các hạt nano vàng đơn phân tán trong dung dịch.
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 hạt , kích thước hạt , cấu
trúc hạt và đặc điểm của hạt nano mà lựa chọn phương pháp chế tạo phù hợp.
Đối với các hạt nano vàng dạng cầu, 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 được khuấy từ mạnh 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 siêu âm,..
Để tạo các hạt nano vàng với các hình dạng khác nhau thông thường sử dụng phương
pháp tạo mầm (Seeding Growth). Đầu tiên mầm được tạo thành có dạng cầu cỡ 4 nm, sau
đó 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 nêu
Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang

7


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

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 quang
nhiệt.

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 lí như: phương pháp bắn phá bằng tia laze, phương
pháp bốc bay (bốc bay nhiệt, bốc bay bằng chùm điện tử), hay dùng plasma để tạo ra các
hạt nano vàng,...
1.1.3. Một số ứng dụng của hạt nano vàng
Hiện nay, hạt nano vàng có nhiều ứng dụng trong vật lí, hóa học và y sinh học. Một
trong các ứng dụng đó là:
(1) Hạt nano vàng được sử dụng trong y sinh học để đánh dấu tế bào. Nguyên tắc ứng
dụng hạt nano vàng trong đánh dấu tế bào như sau: hạt nano vàng được gắn kết với kháng
thể đặc hiệu kháng tế bào ung thư, sau đó gắn lên mẫu bệnh có tế bào ung thư. Nhờ liên
kết kháng nguyên - kháng thể đặc hiệu mà hạt nano gắn lên bề mặt của tế bào. Chiếu ánh
sáng lên tế bào thì do khả năng tán xạ mạnh của hạt nano vàng mà các tế bào ung thư sẽ
được phân biệt với các tế bào thường không có khả năng tán xạ. Kết quả cho thấy nếu
không gắn với kháng thể kháng tế bào ung thư thì hạt nano vàng không gắn lên tế bào ung
thư. Khi có kháng thể gắn với hạt nano vàng, hạt nano vàng bám lên các tế bào. Dưới ánh
sáng hiển vi trường tối, các tế bào này phát sáng rất mạnh, khác biệt hẳn với các tế bào khi
không có hạt nano vàng gắn kết. Hơn nữa, bề mặt hạt nano vàng có thể kết hợp với phân
tử thuốc, phân tử sinh học như DNA, các loại protein như enzyme, kháng thể cho nhiều
ứng dụng y học khác nhau. Ngoài ra có thể nghiên cứu ứng dụng hạt nano vàng để phân
tách tế bào, dẫn thuốc, nung nóng cục bộ…
Vận chuyển thuốc: thường dùng các hạt vàng ~30 nm. Hiệu ứng tán xạ plasmon cộng
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
(2) Ứng dụng để làm Tăng trưởng tán xạ Raman (Surface Enhanced Raman
Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang

8

Luận văn thạc sĩ
Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên
Scattering- SERS): tín hiệu Raman của các phân tử ở trên bề mặt của hạt vàng tăng lên
hàng

Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang

9


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

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 molecule 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 sinh học.
(3) Ứng dụng làm sensơ sinh học
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.
(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 Au cao.
- Hiện ảnh và điều trị bằng hồng ngoại đi sâu vào cơ thể với các hạt SiO 2 bọc 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 nguyệt,. có thiết diện
tán xạ lớn trong vùng hồng ngoại. Đây là phương pháp hiện ảnh và điều trị ung thư in
vivo và rất nhạy đang được tập trung nghiên cứu trên thế giới [5].
(5) Một vài ứng dụng khác:
- Sử dụng trong các ứng dụng nano và chất xúc tác
- Kết nối điện trở, chất dẫn, và các yếu tố khác của một chip điện tử
- Làm đầu dò cho kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
- Là chất xúc tác trong một số phản ứng hoá học
- Ứng dụng trong pin nhiên liệu
1.2 . Chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (Brown)
Khi một hạt vi mô đặt trong dung dịch, ngoài việc chúng chuyển động quay Brown
mà đồng thời chúng còn chuyển động dịch chuyển. Các quy luật cơ bản của chuyển động
Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang

10


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

dịch chuyển Brown đã được thiết lập bởi Einstein và sau Perrin là người phát triển sâu và
đầy đủ hơn [6]. Perrin cho rằng chuyển động Brown là một lập luận rõ ràng cho sự tồn tại
của các phân tử, các luận cứ của ông như sau:
Điều thực sự lạ và mới trong chuyển động Brown chỉ là nó không bao giờ dừng lại.
Đầu tiên, điều này có vẻ mâu thuẫn với kinh nghiệm quan sát hàng ngày của chúng ta về
ma sát. Ví dụ: nếu chúng ta đổ một xô nước vào bồn, có vẻ như chúng ta sẽ thấy rằng sau

một lát, chuyển động bị chiếm hữu bởi khối chất lỏng đã biến mất. Tuy nhiên, hãy phân
tích cách đạt đến trạng thái cân bằng rõ ràng này: Tất cả các hạt của nước đều có vận tốc
xấp xỉ bằng nhau và song song, sự sắp xếp này bị phá vỡ ngay khi một số hạt, đập vào
thành bình nảy ra với vận tốc thay đổi, sẽ ngay lập tức lại va chạm với các phần tử khác
của chất lỏng.
Xét chuyển động Brown của một hạt vi mô trong môi trường có độ nhớt η(T) được
đặc trưng bởi một tập hợp các tham số bất thường do kích động nhiệt. Các định 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 thời điểm tức thời. 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 nhiệt.
Vấn đề đặt ra là: 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.
〈�� 2 〉 = 2�
� �
(1.1) Với 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 tỉ 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:
Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang

11

Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên
2�

�

�
= (�� )
−���
2
�+ �

���

Học viên: Hoàng Văn Quế

(��)
(1.2)
���

Trang

12


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Ở đó, ���� (��) là ngoại lực tác dụng lên hạt trong môi trường, ��� (��)
là vận tốc theo trục �, � là hệ số ma sát, giá trị của � có thể được xác định trực tiếp từ
thực nghiệm.
Nhân 2 vế của phương (1.2) với � và lấy trung bình, ta nhận được :


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên
�

2

�

〈��
〉 = 〈−�� (��)〉
��
+
��
���
��� 2
�
�
2

⇔ 〈��
��

�

�

〉 + 〈��
��� 2

〉 = 〈−��
�
�

(��)〉

(1.3)
���

Với 〈����� (��)〉 = 0 do tính chất đối xứng,
2

〈��

Vì vậy :
(1.4)

�

�

〉 = − 〈�(

��� 2

��

)2 〉

��

Ta nhận được:
− 〈��
2
〈����
〉

��

��

〉 = − 〈�(
(1.5)

)2 〉 ⟺ 2 〈�

�
�

�
�

�
��

��

�

〉=2
�

〈(

��

)2 〉 =

2�

�

2
〉 vận tốc bình phương trung bình theo trục ox.
Với 〈��
�
1

2
〉=
Chúng ta biết rằng, ở điều kiện cân bằng nhiệt động: 2 �〈��
�
2

1
��

�

Với ��� là hằng số
Boltzmann.
Ở đó : 2 〈�
�� �
2

��
�

��

〉=

⟺
2

〈 �2〉
�� �

=

��

⟹ 〈� 2 〉 = 2
(1.6)

�

�� �

.�
�

Công thức này có thể tổng quát hóa cho n chiều, ta có :
〈�� 2 〉 = �
(1.7)
�

�� �

�

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 (1.3) và (1.9):
��� = ��� �
(1.8)


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

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:
� =6�
(1.9)