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 phụ thuộc vào vị trí chiếu ánh sáng ................................................3
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 hạt keo vàng bằng phương pháp Turkevitch.................................20
Hình 2.2. Mô hình phản ứng xảy ra trong phương pháp Turkevitch..................................21
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
Hình 2.9. Mở video theo dõi đơn hạt..................................................................................29
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

STT

Ký
hiệu

1

MSD

Mean square displacement

Bình phương dịch chuyển trung bình

2

SPT

Single Particle Tracking.

Phương pháp theo dõi đơn hạt

3

PSF

Disseminated function

Hàm điểm lan tỏa

4

SEM

5

MSDR

6

Tên đầy đủ

Scanning Electron
Microscope

Tên tiếng Việt

Kính hiển vi điện tử quét

Squared average movement

Bình phương dịch chuyển trung bình

in 2-dimensional space

trong không gian 2 chiều

D

Diffusion coefficient

Hệ số khuếch tán

7

<r>

Average moving distance

Quãng đường dịch chuyển trung bình

8

<v>

Average movement speed

Vận tốc dịch chuyển trung bình

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)

Hình 1.1. Màu của cốc phụ thuộc vào vị trí chiếu ánh sáng [3]
Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang 3


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
plasmonic. Đối với các hạt nano vàng có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng kích thích,

Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang 4


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 5


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
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 6


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 SiO2 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 7


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.
〈𝑟 2 〉 = 2𝑛𝐷𝜏

(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:
𝑚

𝑑2𝑥
𝑑𝑡 2

Học viên: Hoàng Văn Quế

= −𝜇𝑣𝑥 (𝑡 ) + 𝐹𝑒𝑥𝑡 (𝑡)
Trang 8

(1.2)


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

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

𝑑2𝑥
𝑑𝑡 2

𝑑2𝑥
𝑑𝑡 2

〉 = 〈−𝜇𝑥

〉 = 〈−𝜇𝑥

𝑑𝑥

𝑑𝑡

𝑑𝑥
𝑑𝑡

+ 𝑥𝐹𝑒𝑥𝑡 (𝑡)〉

〉 + 〈𝑥𝐹𝑒𝑥𝑡 (𝑡)〉

(1.3)

Với 〈𝑥𝐹𝑒𝑥𝑡 (𝑡)〉 = 0 do tính chất đối xứng,
〈𝑚𝑥

Vì vậy :

𝑑2𝑥
𝑑𝑡 2

𝑑𝑥

〉 = − 〈𝑚( )2 〉

(1.4)

𝑑𝑡

Ta nhận được:
− 〈𝜇𝑥

𝑑𝑥
𝑑𝑡

𝑑𝑥

𝑑𝑥

𝑑𝑡

𝑑𝑡

〉 = − 〈𝑚( )2 〉 ⟺ 2 〈𝑥

〉=2

𝑚
𝜇

𝑑𝑥

2𝑚

𝑑𝑡

𝜇

〈( )2 〉 =

〈𝑣𝑥2 〉

(1.5)

Với 〈𝑣𝑥2 〉 vận tốc bình phương trung bình theo trục ox.
1

1

2

2

Chúng ta biết rằng, ở điều kiện cân bằng nhiệt động: 𝑚〈𝑣𝑥2 〉 = 𝑘𝐵 𝑇
Với 𝑘𝐵 là hằng số Boltzmann.
Ở đó : 2 〈𝑥

𝑑𝑥
𝑑𝑡

〉=2

𝑘𝐵 𝑇
𝜇

⟺

𝑑〈𝑥 2 〉
𝑑𝑡

=2

𝑘𝐵 𝑇
𝜇

⟹ 〈𝑥 2 〉 = 2

𝑘𝐵 𝑇
𝜇

.𝑡

(1.6)

Công thức này có thể tổng quát hóa cho n chiều, ta có :
〈𝑟 2 〉 = 𝑛

𝑘𝐵 𝑇
𝜇

𝑡

(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):
𝐷𝜇 = 𝑘𝐵 𝑇

(1.8)

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 𝜂 theo:

𝜇 = 6𝜋𝑅𝜂

Học viên: Hoàng Văn Quế

(1.9)

Trang 9


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Cuối cùng, đối với hạt hình cầu, chúng ta nhận được công thức Einstein-Stokes:
𝐷=

𝑘𝐵 𝑇

(1.10)

6𝜋𝑅𝜂

Trong công thức này, bán kính của hạt thực chất là bán thủy động lực học –là bán
kính hình học của hạt mà bị giới hạn bởi một lớp giới hạn của môi trường quay quanh hạt.
Từ đây ta có thể viết lại công thức bình phương dịch chuyển trung bình theo hệ số
khuếch tán:
〈𝑟 2 〉 = 𝑛𝐷𝑡

(1.11)

-Xét trong không gian 3 chiều : 〈𝑟 2 〉 = 6𝐷𝑡.
- Xét trong không gian 2 chiều : 〈𝑟 2 〉 = 4𝐷𝑡.

(1.12)

-Xét trong không gian 1 chiều : 〈𝑟 2 〉 = 2𝐷𝑡.
1.3. Phương pháp theo dõi đơn hạt
Để giải mã sự tương tác phức tạp giữa vô số các phân tử khác nhau được thể hiện
trong một môi trường đơn nhất là một vấn đề đã và đang được tìm hiểu trong nhiều thập kỷ
gần đây. Do đó, từ việc nghiên cứu kính hiển vi đã cho thấy rằng các thành phần tế bào, các
protein trên bề mặt tế bào và các bào quan trong tế bào và DNA trong nhân tế bào phân
phối không đồng nhất cả về không gian và thời gian. Đáng chú ý là không chỉ các nhà sinh
học đang tập trung vào việc làm sáng tỏ sự phức tạp của các tế bào, mà còn có các nhà vật
lý đang đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong lĩnh vực này. Thật vậy, khả năng theo
dõi các phân tử đơn lẻ một cách tự nhiên của tế bào sống được chuyển thành một mô tả
định lượng và chính xác hơn về các quá trình động học để kiểm soát chức năng tế bào. Do
đó các nhà vật lý đang được thu hút vào các ngành sinh học, góp phần vào sự phát triển của
công nghệ và tạo ra các công cụ mới để phân tích dữ liệu. Họ cung cấp các mô hình quan
trọng và toàn diện mà chúng ta tiếp cận gần hơn để tìm hiểu sự chuyển động các phân tử
và chuyển động của các phân tử trong các tế bào và phản ứng của chúng đối với môi trường.
Sự kết hợp giữa sinh học và vật lý học sẽ làm bộc lộ rất nhiều các phân tử cũng như các cơ
chế vật lý cơ bản, sự phức tạp của các tế bào sống. Trọng tâm của những tiến bộ là sự phát

Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang 10


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

triển của kỹ thuật, khả năng nghiên cứu quá trình động học với độ nhạy và độ phân giải cao
mà không xâm phạm vào bên trong cơ thể. Một trong những kỹ thuật này là phương pháp
theo dõi đơn hạt (Single Particle Tracking- SPT).
1.3.1. Sự phát triển của SPT
Lịch sử phát triển của SPT từ giữa những năm 1980, khi Brabander và các đồng
nghiệp đầu tiên cho thấy rằng các hạt nano vàng có kích thước nhỏ 40 nm, có thể được nhìn
thấy trên bề mặt của các tế bào sống bằng các thiết bị quang học [7, 8]. Ban đầu được gọi
là “kính hiển vi nanovid”, các phương pháp được sử dụng dựa trên sự phân bố thưa thớt
của các hạt keo vàng, gắn liền với các phân tử sinh học. Trong một vị trí lý tưởng, chỉ có
một phân tử sinh học duy nhất được gắn vào một hạt vàng. Bởi vì sự tán xạ Rayleigh có
cường độ rộng, các tọa độ không gian của các vị trí tâm của các hạt đơn lẻ có thể được lấy
với độ chính xác cỡ nano mét và nó được được ghi ở hình ảnh bởi kính hiển vi tương phản
giao thoa (DIC) [7]. Đây là phương pháp đơn giản lần đầu tiên cho phép theo dõi và điều
khiển với độ chính xác quy mô nano mét [9] và mở ra lĩnh vực theo dõi phân tử đơn lẻ trong
màng tế bào [10, 11]. Thay vì sử dụng các hạt vàng, cao su lớn, polystyrene hoặc các hạt
silica với các kích cỡ khác nhau, có đường kính từ 200 nm đến 1 mm cũng có thể được hiện
ảnh và theo dõi bằng cách sử dụng kính hiển vi quang học chuẩn. Nhiều năm qua, SPT có
chiến lược phát triển nhằm đến mục tiêu các phân tử khác nhau, xử lý dữ liệu và mô hình
hóa các phương pháp đã được nghiên cứu cụ thể, các tổ chức không đồng nhất và động học
của màng tế bào (xem [12] với một trong các đánh giá toàn diện đầu tiên trên SPT). Trong
điều kiện thực hiện với sự đơn giản của kỹ thuật này, rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế
giới dành những nỗ lực của họ để phát triển thuật toán phù hợp để xây dựng quỹ đạo và
phân tích khuếch tán và dòng chảy trong hệ thống hai và ba chiều (xem các đánh giá gần
đây [13]).
Vào năm 1930, kính hiển vi huỳnh quang đã có một bước đột phá mới, khi các phân
tử đơn lẻ có thể được phát hiện ở nhiệt độ phòng bằng tín hiệu huỳnh quang [14]. Ngay sau
đó, SPT đã được thực hiện bằng cách thay thế các hạt đơn lẻ bằng các phân tử huỳnh quang
đơn hoặc protein huỳnh quang [15, 16, 17]. Kể từ đó lĩnh vực này đã cho thấy một sự bùng

Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang 11


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

nổ về việc triển khai quang khác nhau, các thuật toán để xây dựng lại quỹ đạo và phân tích
dữ liệu, mô hình vật lý, và quan trọng, nó đã dẫn đến những khám phá mới trong sinh học.
Điều thú vị là, sự phát triển vượt trội của SPT đã không chỉ cho ta những hiểu biết
sâu về sinh học mà còn tạo ra một công cụ đơn phân tử tinh tế để khám phá sự phức tạp của
hệ thống sống từ góc độ vật lý. Đặc biệt, hai phát hiện chính từ các thí nghiệm SPT đã tạo
nên sự quan tâm của các nhà lý thuyết và các thống kê vật lý.
Để hiểu hơn về các thuật toán phân tích dữ liệu cần giải thích quỹ đạo từ hình ảnh SPT.
Các thuật toán này được tách thành hai khối chính:
 Phần đầu tiên của thuật toán là tập trung vào xác định các vị trí tâm của các hạt
sử dụng cho SPT và các liên kết của các tọa độ để tạo ra quỹ đạo mà mô tả sự
chuyển động của các hạt.
 Phần thứ hai của thuật toán là tập trung vào việc tái liên kết các hạt, giải thích
và phân tích những quỹ đạo để xác định các thông số như kiểu khuếch tán, hệ
số khuếch tán, vận tốc, quãng đường dịch chuyển trung bình, …v.v.
Cuối cùng, tập trung vào các mô hình lý thuyết hiện đang được phát triển để giải thích phép
đo SPT. Trong hình 1.3 cho thấy một loạt các hình ảnh được thực hiện ghi lại, có chứa một
số lượng ít các phân tử có gắn nhãn (đốm đỏ). Phim chứa từ hàng trăm đến hàng ngàn hình
ảnh ghi lại bằng camera nhanh. Trong bước xác định vị trí, hình ảnh huỳnh quang tại một
thời điểm nhất định được phân tích để lấy lại vị trí của các hạt. Độ chính xác vị trí cuối
cùng phụ thuộc vào nửa độ bán rộng tối đa (FWHM) của hàm điểm lan tỏa (PSF), số lượng

photon thu thập từ nguồn phát xạ và các nguồn nhiễu khác nhau từ thực nghiệm. Sau khi
lặp đi lặp lại bước xác định vị trí trên một chuỗi thời gian của rất nhiều hình ảnh, các vị trí
được liên kết lại để tạo ra quỹ đạo theo dõi sự chuyển động của các hạt (đường nét đứt mầu
trắng được liên kết lại như là một hàm của thời gian ở hình 1.3).

Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang 12


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Hình 1.3 Sơ đồ minh họa của SPT
1.3.2.Thiết lập hệ quang học cho SPT trong không gian 2 chiều (2D) và 3 chiều (3D)
Không gian hay sử dụng nhất SPT thực hiện quang học cho hình ảnh 2D dựa trên
vùng sáng rộng và phát hiện một vết loang thấp, máy ảnh có độ nhạy cao. Cấu hình này cho
phép phát hiện nhanh các tín hiệu để thu thập dữ liệu và theo dõi các phân tử chuyển động.
Ngày nay hầu hết các nghiên cứu sử dụng SPT dựa trên tín hiệu huỳnh quang.Thông
thường, các phân tử được kích thích sử dụng một chùm tia laser tập trung vào các mặt phẳng
tiêu cự, các vật kính tạo ra một chùm tia song song kích thích một vùng của mẫu trong suốt
toàn bộ chiều sâu của nó. Huỳnh quang phát ra được chọn lọc từ ánh sáng kích thích và
phát hiện bằng cách sử dụng máy ảnh. Việc phát hiện và theo dõi các tín hiệu phát ra riêng
biệt đòi hỏi đến tỷ lệ tín hiệu cao, mà phụ thuộc vào cách sử dụng tính chất ảnh vật lý của
quá trình phân tích. Thông thường, với khẩu độ số NA> 1.2 được sử dụng để thu thập số
lượng lớn nhất có thể của các photon phát ra. Hơn nữa, các bộ lọc huỳnh quang có độ sắc
nét với độ truyền cao (> 80%) và máy ảnh phát hiện với năng suất lượng tử cao.

Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang 13


Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Hình 1.4 Sơ đồ quang học khác nhau cho SPT trong 2D và 3D
Trong Hình 1.4 (a) dùng laser kích thích mẫu ở chế độ epi hoặc phản xạ nội toàn phần
(TIRF). Ánh sáng phát xạ được tách ra từ ánh sáng kích thích sử dụng bộ lọc phù hợp và
để phát hiện ta sử dụng một máy ảnh CCD... (b) Cách chiếu sáng khác nhau, bao gồm cả
epi, TIRF và (highly inclined and laminated optical) HILO. Trong các cấu hình này, các
chùm tia laser được hội tụ tại mặt phẳng tiêu cự của vật kính. Tùy thuộc vào độ nghiêng
của các chùm tia laser đối với trục của vật kính mà độ sâu chiếu sáng đạt được khác nhau.
(c) nguyên tắc theo dõi quỹ đạo của các hạt trong 3D sử dụng kính hiển vi hai photon. Tia
laser được quét trong vòng tròn xung quanh hạt quan tâm (hình elip màu xanh). Trong ví
dụ này, hai quỹ đạo vào vị trí z khác nhau và hai hạt khác nhau (màu xanh lá cây và màu
đỏ) được hiển thị. Các cường độ huỳnh quang được tích hợp tại điểm nhất định của những
quỹ đạo như di chuyển laze xung quanh hạt. Cường độ có liên quan đến vị trí thực tế của
hạt đối với các quỹ đạo và được sử dụng để theo dõi vị trí của hạt trong 3D. (d) kỹ thuật
PSF tiếp cận phá vỡ đối xứng trục của PSF để mã hóa thông tin 3D trong hình dạng PSF.
1.3.3. Phân tích dữ liệu
Các kết quả chung của một thí nghiệm SPT gồm một chuỗi hình ảnh nhiễu xạ được giới
hạn bởi thời gian của các hạt thu được thông qua các kỹ thuật kính hiển vi nói trên. Một
bước quan trọng để đánh giá định lượng về động học là phát hiện hạt với độ phân giải nhiễu
xạ của từng vị trí hạt và kết nối chúng lại để xây dựng lại quỹ đạo hạt duy nhất (Hình 1.5).
Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang 14

Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Toàn bộ quá trình này, thường được gọi là kỹ thuật “theo dõi hạt duy nhất” [13], kỹ thuật
này lần đầu tiên được thực hiện bằng một thiết bị điện tử. Bên cạnh đó kỹ thuật đó tốn thời
gian và không có độ phân dải cao nên rất chậm, nhu cầu về dữ liệu thông lượng cao đòi hỏi
một số lượng cao mật độ của các hạt, do đó một số thuật toán máy tính tiên tiến đã được
phát triển để đạt được độ chính xác về vị trí (xem xét trong [19], [20]). Các phân tích gồm
2 bước chính:
(1). Các thuật toán cho việc xác định vị trí các hạt
Các dữ liệu ban đầu của thí nghiệm SPT thường bao gồm một trình tự thời gian của các
hình ảnh giới hạn nhiễu xạ của các hạt phát quang. Trong mỗi khung hình của một chuỗi,
hạt xuất hiện những đốm sáng trên nền tối. Chiều rộng PSF tỷ lệ thuận với các bước sóng
phát xạ quang và khẩu độ số của thấu kính chụp ảnh, xác định độ phân giải không gian của
các kính hiển vi, trong khi cường độ PSF là tỷ lệ thuận với số lượng của các photon thu
được.
Nhiệm vụ đầu tiên là ước tính các tọa độ trọng tâm trong những điểm phát quang, do đó
vị trí các hạt từ hình ảnh được xác định với độ chính xác cao (pixel) (Hình 1.5 (a) - (d)).
Xác định vị trí của một hạt từ hình ảnh khá phức tạp.

Hình 1.5 Ước lượng vị trí hạt và tính toán chính xác vị trí

Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang 15

Luận văn thạc sĩ

Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Hình 1.5 (a), (b) Mô phỏng hình ảnh giới hạn nhiễu xạ của một đốm sáng huỳnh quang
đẳng hướng, bao gồm hiệu ứng của nhiễu Poisson và đầu thu pixelation (a), và tương ứng
histogram đếm photon (b). Biểu tượng màu đỏ trong (a) đại diện cho vị trí thực phát xạ (c),
(d) Kết quả bình phương trọng số nhỏ nhất làm khớp với dữ liệu trong (a), (b) bằng khớp
hàm Gaussian 2D. Các vị trí trọng tâm ước tính được thể hiện như một dấu chấm màu xanh
trong (c). (e), (f) ước tính vị trí từ hình ảnh khác nhau của cùng một phát xạ (chấm màu
xanh). Các vết cắt màu xanh lá cây tương ứng với trung bình của vị trí riêng biệt, trong khi
các vòng tròn màu xanh lá cây biểu thị độ lệch chuẩn của chúng, tương ứng với độ chính
xác vị trí. Sự khác biệt giữa vị trí trung bình (vết cắt màu xanh lá cây) và vị trí hạt thực tế
(biểu tượng màu đỏ) cho vị trí chính xác. Các phân phối xác suất của vị trí riêng lẻ điểm (f)
được biểu diễn trên cùng một thang đo như (b) và (d).
(2). Các thuật toán cho liên kết hạt
Khi các tọa độ của hạt được tìm thấy, một thuật toán liên kết là cần thiết để kết nối
các vị trí của hạt từ frame này đến frame kế tiếp để xây dựng các quỹ đạo (Hình 1.6).

Hình 1.6 Liên kết các vị trí và xây dựng quỹ đạo các hạt
(a) ước tính về vị trí của một hạt khuếch tán (chấm xanh) .Các vị trí hạt thực được thể hiện
như những dấu cộng màu đỏ. Các vòng tròn màu xám bóng mờ tương ứng với độ chính xác
của vị trí. (b) các hình ảnh đại diện của một bộ phim SPT trong đó có vài hạt huỳnh quang
và mô tả sơ đồ của các nguyên tắc của thuật toán liên kết vị trí.
Trong khi các vị trí là tương đối thưa thớt có thể dễ dàng kết nối lại (hình chóp màu
xanh ngọc), phải dự tính các thuật toán khả năng để tính toán với sự xuất hiện hạt là không
Học viên: Hoàng Văn Quế

Trang 16