Nghiên cứu chế tạo hạt nano đa chức năng và thử nghiệm ứng dụng trong y sinh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

BÁO CÁO TỔNG KẾT
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI/DỰ ÁN NGHIÊN CỨU
CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA
Tên đề tài/dự án: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO ĐA CHỨC
NĂNG VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG TRONG Y SINH

Mã số đề tài/dự án: QG.12.03
Chủ nhiệm đề tài/dự án: TS. Nguyễn Hoàng Nam

Hà Nội, tháng 09 năm 2014

/>

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG
1. Tên đề tài/dự án: Nghiên cứu chế tạo hạt nano đa chức năng và thử nghiệm ứng
dụng trong y sinh
2. Mã số: QG.12.03
3. Danh sách chủ nhiệm, thành viên tham gia thực hiện đề tài/dự án

Đơn vị công tác

TT Chức danh, học vị, họ và tên

Chức danh thực hiện
đề tài/dự án

1

TS. Nguyễn Hoàng Nam

Khoa Vật lý

Chủ nhiệm

2

NCS. Lưu Mạnh Quỳnh

Khoa Vật lý

Thư ký

3

PGS.TS. Trần Thị Hồng

Trường ĐHKHTN

Ủy viên

4

PGS.TS. Mai Anh Tuấn

ĐHQGHN

Ủy viên

5

PGS.TS. Nguyễn Thị Vân

Phòng Thí nghiệm trọng

Ủy viên

Anh

điểm Enzym và Protein

ThS. Nguyễn Minh Hiếu

Trung tâm Nano và

6

Ủy viên

Năng lượng

4. Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Khoa học tự nhiên
5. Thời gian thực hiện:
5.1 Theo hợp đồng:

từ tháng 10 năm 2012 đến tháng 10 năm 2014

5.2 Gia hạn (nếu có):

khơng

5.3 Thực hiện thực tế:

từ tháng 10 năm 2012 đến tháng 10 năm 2014

6. Sản phẩm đã đăng ký:
6.1. Sản phẩm khoa học công nghệ:
- 01 bài báo ISI.
- 01 bài báo đăng tạp chí trong nước.
- 01 báo cáo hội nghị.
- Quy trình chế tạo hạt nano đa chức năng.

1


- Báo cáo đánh giá khả năng ứng dụng hạt đa chức năng trong đánh dấu và tách chiết
DNA.
- 200 ml dung dịch chứa mỗi lọại hạt nano đa chức năng
6.2 . Sản phẩm đào tạo: 01 thạc sỹ, 02 cử nhân thuộc nhiệm vụ chiến lược
6.3. Các sản phẩm khác: ………………………………………………………………
7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài, dự án: 200 triệu đồng.

PHẦN II. NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Mục tiêu
Mục tiêu của đề tài là chế tạo hạt nano đa chức năng từ các hạt nano đơn lẻ để có thể ứng dụng
các tính năng ưu việt của từng loại hạt nano đơn lẻ.

2. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu đã tiến hành
2.1. Phương pháp tiếp cận
Nhóm nghiên cứu đã tiếp cận vấn đề bằng cách kế thừa các nghiên cứu trước của nhóm và các

nhóm khác trong việc chế tạo các hạt nano bằng các phương pháp đơn giản, rẻ tiền. Sau đó các
hạt nano đơn lẻ này được tổ hợp lại thành các hạt nano đa chức năng mang tính năng tổng hợp của
các hạt nano đơn lẻ, có khả năng ứng dụng cao.

2.2. Phương pháp nghiên cứu
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp thực nghiệm để thử nghiệm chế tạo các hạt nano đơn
lẻ như hạt nano kim loại, nano bán dẫn và nano từ tính. Quy trình chế tạo các hạt nano này được
thay đổi để được tối ưu hơn. Khi đã chế tạo được các hạt này thì nhóm nghiên cứu đã tổ hợp các
hạt nano đơn lẻ bằng hai phương pháp, một là tạo một lớp vỏ bọc SiO2 bên ngoài tổ hợp các hạt
nano đơn lẻ, hai là tạo liên kết sinh học giữa chúng.

3. Nội dung và kết quả nghiên cứu
3.1. Mô tả các kết quả nghiên cứu đạt được
Nội dung 1: Nghiên cứu chế tạo và tối ưu hóa qui trình chế tạo các hạt nano kim loại,
bán dẫn và nano từ tính:
a. Hạt nano kim loại

2


Trong phần này, các hạt nano kim loại được chế tạo bằng phương pháp hóa ướt bao gồm
hạt nano bạc và nano vàng.
- Hạt nano Bạc
Nhằm tối ưu hóa qui trình chế tạo hạt nano Ag và chức năng hóa bởi nhóm chức 4aminothiphenol (4-ATP), hai phương pháp khử đã được sử dụng.
Phương pháp khử sử dụng Trisodium citrate (TSC)
Quá trình khử ion bạc thành bạc bằng TSC được mơ tả ngắn gọn như trong hình 3.1.

Hình 3.1. Mơ tả quá trình chế tạo các hạt nano Bạc bằng phương pháp khử
TSC
Ở trong phương pháp này TSC được dùng như chất khử và chất hoạt hóa. Nồng độ và độ

pH của dung dịch chứa TSC cũng như nồng độ tới hạn của các hạt nano bạc trong dung dịch ban
đầu được tối ưu hóa.
Nhận thấy nồng độ của dung dịch TSC đạt đến 0.1 M, độ pH đạt đến 6 hay nồng độ của
muối bạc đến 220 ppm thì dung dịch chứa hạt nano chưa hoạt hóa được hình thành ổn định và có
thể để được thời gian dài. Khi nồng độ cũng như độ pH thay đổi, các hạt có hiện tượng kết đám và
lắng sau 2 tuần đến 3 tuần bảo quản ở điều kiện thường. Các trường hợp hàm lượng chất vượt
ngưỡng, như độ pH xuống dưới 4, lên quá 8 hay nồng độ ion Bạc cao hơn 250 ppm thì khơng hình
thành hạt nano.
Phương pháp khử sử dụng Sodium borohydrate (NaBH4)
Cho 100ml dung dịch Sodium Borohydride (NaBH4) nồng độ 0.1M vào 750ml dung dịch
bạc acetate (CH3OOAg) nồng độ 0.02M. Trong khi khuấy đều, dung dịch chuyển màu sậm đen.
Sau đó nhỏ từ từ 40ml dung dich 4-Aminothiophenol (4ATP) 1mM. Hệ được để qua đêm để phản

3


ứng xảy ra hoàn toàn. Qua ngày, mẫu được lọc rửa nhiều lần bằng phương pháp quay li tâm nhiều
lần để loại bỏ các hóa chất cịn dư trong q trình phản ứng (Hình 3.2).

Hình 3.2 : Sơ đồ chế tạo hạt nano bạcbằng
phương pháp khử sử dụng Sodium borohydrate
Trong qui trình này, việc chế tạo hạt nano Bạc được tối ưu hóa bằng việc thay đổi muối
Bạc từ gốc acetate thành gốc Nitrate và bổ sung chất hoạt hóa bề mặt, cụ thể ở đây là
cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB) và polyvilnyl pyrrolidone (PVP) để thay đổi kích
thước cũng như hình thái của hạt.
Khảo sát nhiễu xạ tia X cho thấy khi sử dụng CTAB làm chất hoạt hóa, cho hạt có kích
thước nhỏ hơn, nhưng bị lẫn tạp và được cho là AgBr hình thành trong quá trình phản ứng. Bởi
vậy, chúng tôi chỉ sử dụng các hạt nano Bạc được chế tạo theo qui trình khử trực tiếp Bạc acetate
và Bạc nitrate với chất hoạt hóa PVP.
-

Các hạt nano vàng
Chế tạo hạt nano vàng đã được chức năng hóa

Hạt nano vàng được chức năng hóa bề mặt được chế tạo bằng phương pháp bọc trực tiếp
trong quá trình tạo hạt.
- 1 ml HAuCl4 nồng độ 0,1M được cho vào trong bình tam giác có thể tích 50 ml.
- Bổ sung 40 ml CTAB nồng độ 0,15 M trong nước cất 2 lần, khuấy đều thấy dung dịch
chuyển màu đỏ gạch.
- Cho 2 ml dung dịch 4-ATP nồng độ 0,1M trong cồn tuyệt đối khuấy đều.
- Nhỏ 1 ml dung dịch NaBH4 nồng độ 1M thấy dung dịch chuyển màu gạch rồi đen đậm.
- Để qua ngày cho hạt nano ổn định và tiến hành lọc rửa 3 lần bằng nước cất hai lần đã khử
trùng bằng phương pháp quay li tâm 8500 vòng/phút trong thời gian 1 tiếng.

4


Hạt vàng sau đó được lưu trữ trong ống Falcon và được đo UV-vis để xác định tương đối
nồng độ theo cường độ hấp thụ. Tại đỉnh hấp thụ đặc trưng 515nm, sau khi pha loãng đến 12 lần
cường độ hấp thụ tương đối là 2,5.

Kết quả chế tạo các hạt nano kim loại
Các hạt nano kim loại sau khi được chế tạo được nghiên cứu bằng phương pháp đo phổ
hấp thụ UV-vis để kiếm tra hiện tượng Plasmon bề mặt, sau đó chụp ảnh TEM.
Kết quả chế tạo hạt nano bạc và bọc 4-ATP
Kết quả đo nhiễu xạ tia X cho thấy các hạt nano Bạc được hình thành dạng tinh thể lập
phương tâm mặt xếp chặt (Closet-packed FCC) với các đỉnh nhiễu xạ đọc được lần lượt tại
38,11o, 44,29o và 64,41o, rất trùng với thẻ chuẩn JDSPS số 04-0738. Từ độ bán rộng của phổ
cũng tính ra được các kích thước của các hạt tinh thể là 23 ± 2nm và khá trùng với phân bố
kích thước hạt như trong ảnh TEM.

Kết quả UV-vis và TEM của các hạt nano Bạc được biểu diễn ở hình dưới đây.

A
B
Hình 3.3. Kết quả TEM và UV-vis của các hạt nano Bạc chế tạo bằng phương pháp khử

5


Kết quả đo nhiễu xạ tia X

Hình 3.4. Phổ X-ray của mẫu nano bạc được chế tạo bằng phương
pháp khử.
Kết quả đo hấp thụ UV-vis cho thấy đỉnh phổ hấp thụ của dung dịch chưa các hạt nano
bạc tại 415nm. Phổ hấp thụ UV-vis có thể dùng để kiểm tra độ lặp lại của các lần chế tạo, bằng
cách kiểm tra sự trùng lặp của hình dạng phổ. Bên cạnh đó phổ hấp thụ UV-vis cùng dùng để
kiểm tra nồng độ của các hạt chế tạo và kiểm tra hàm lượng sản phẩm phụ của phản ứng.
Từ đây chúng tôi đã định ra một hệ thống kiểm định cơ sở chuẩn để kiểm định chất lượng
của dung dịch chứa các hạt nano Bạc bao gồm:
- Độ pH
-

Hình dáng của phổ hấp thụ
Vị trí đỉnh hấp thụ cũng như cường độ của đỉnh hấp thụ
Sấy khô đến khối lượng không đổi và tính nồng độ khối lượng/thể tích hạt nano bạc.

6


Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt của các hạt Bạc bọc 4-ATP

Hình 3.5. Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt
của các hạt nano Ag-ATP

Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt của các liên kết trên bề mặt kim loại là một
hệ quả của hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt. Dưới tác dụng của hiện tượng
Plasmon bề mặt, cường độ điện từ trường tại bề mặt của các hạt nano kim loại tăng vọt, có
thể lên tới 105-106 lần so với bình thường. Vì vậy, cường độ tán xạ Raman của một số liên
kết trên bề mặt hạt kim loại có thể theo dõi một cách dễ dàng. Đồng thời nếu cố định được
một số liên kết trên bề mặt các hạt nano Bạc, chính các tín hiệu tán xạ Raman tăng cường
bề mặt lại trở thành nhân tố đánh dấu vị trí của các hạt nano Bạc.
Hình 3.5 là kết quả đo tán xạ Raman của các phân tử 4-ATP trên bề mặt hạt nano
Bạc. Có thể thấy các đỉnh tán xạ đặc trưng của các dao động phân tử 4-ATP.Chúng tôi đã
kết hợp với nhóm tính tốn của Trung tâm Khoa học vật liệu để tìm hiểu bản chất của các
đỉnh tán xạ nhận được.Kết quả nhận được rất phù hợp với phổ đo được cũng như các kết
quả đã được công bố trước đó (Bảng 3.1).

7


Bảng 3.1. Bảng tổng hợp các mode dao động ứng với các đỉnh tán xạ Raman của
phân tử 4-ATP
Ag-4ATP

1602 cm-1

Modeling

Kết quả đã

Dao động

Modeling

results

công bố

đặc trưng

figures

1629 cm-1

-

γ CH

1589 cm-1

1549 cm-1

γ NH

-

-

-

1489 cm-1

1493 cm-1

1489 cm-1

σCC+ γCH

1430 cm-1

-

1427 cm-1

σCC+δNH

1388 cm-1

1390 cm-1

1386 cm-1

δCC+δCH

1302 cm-1

1307 cm-1

-

σNC

-

8


1144 cm-1

1119 cm-1

1141 cm-1

σCC

1077 cm-1

1092 cm-1

1081 cm-1

σSC

1007 cm-1

1030 cm-1

-

σCC+γCH

828 cm-1

831 cm-1

816 cm-1

δCC

639 cm-1

-

-

-

392 cm-1

-

~ 394 cm-1

Ag-S

Bảng kết quả cho thấy các phân tử 4-ATP liên kết chặt chẽ với bề mặt các nguyên
tử Ag trên bề mặt các hạt nano thơng qua liên kết cộng hóa trị Ag-S (đỉnh tại 392 cm-1).
Điều này cho thấy các phân tử 4-ATP có thể tồn tại khá bền trên bề mặt các hạt nano Ag,
đồng thời đảm bảo được sự có mặt của các đỉnh tán xạ Raman tăng cường bề mặt vẫn cịn
tồn tại sau khi đã được bọc bởi lớp SiO2.

Ngồi ra có thể thấy một số đỉnh khá rõ ràng như tại các vị trí 1077 cm-1, 1144 cm-1
và 1589 cm-1 ứng với các dao động σS-C, σC-C và γN-H. Không chỉ vậy đỉnh dao động
tại 1589 cm-1 cho thấy sự tồn tại của các gốc amin tự do trên bề mặt các hạt nano Bạc. Đây
cũng là nhóm có hoạt tính sinh học mạnh, chứng tỏ các hạt Ag-4ATP có khả năng tương
thích sinh học rất cao.
Kết quả chế tạo hạt nano Vàng và bọc 4-ATP
Kết quả đo nhiễu xạ tia X và ảnh TEM

9


Hình 3.6 là kết quả đo nhiễu xạ tia X và ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua của mẫu hạt nano
vàng được chế tạo bằng phương pháp nuôi mầm. Phổ nhiễu xạ tia X (hình 5A) nhận được hoàn
toàn khớp với phổ chuẩn ứng với cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt của vàng; hằng số mạng
là a = 4.08764 Å với sai số là 3%. Kết quả này khá phù hợp với các công bố trước đó về hạt nano
vàng của các nhóm tác giả trong và ngồi nước.

A
B
Hình 3.6: Kết quả đo nhiễu xạ tia X (A) và ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua
(B) của mẫu hạt nano vàng chế tạo bằng phương pháp ni mầm.
Ảnh TEM (%B) cho thấy kích thước hạt nano Au phân bố khá đồng đều và tập trung tại
khoảng có đường kính 3-5 nm. Phân bố hạt gần giống với phân bố Poison, và có thể giải thích bởi
trong quá trình ủ các hạt nano được hình thành độc lập với nhau từ các mầm có kích thước khác
nhau.
Kết quả đo SERS của hạt nano vàng bọc 4-ATP
Hình 3.7 đưa ra kết quả đo tán xạ Raman của dung dịch chứa hạt nano vàng sau khi chức
năng hóa bề mặt chúng bởi 4-ATP. Các dao động δC-S, δC-C, πC-H và νC-C+δC-H đặc trưng
cho các liên kết gần bề mặt hạt nano vàng của 4-ATP tạo các đỉnh tán xạ lần lượt tại 1078 cm-1,
1589 cm-1, 820 cm-1 và 1397 cm-1.

10


Hình 3.7: Kết qua đo Raman của mẫu dung dịch chứa hạt nano vàng đã được chức
năng hóa bằng 4-aminothiophenol (4-ATP) – Au-NH2
So với kết quả trước đó, do thang đo chỉ tiến hành được trong khoảng từ 600 cm-1 đến 2000
cm-1 nên không nhận biết được liên kết quan trọng tại 394 cm-1 của Au-S trên bề mặt hạt nano
vàng (Hình 6). Như vậy trong kết quả đo tán xạ Raman tăng cường bề mặt lần này, thể hiện liên
kết đã chứng tỏ hạt vàng đã được bao bọc bởi một lớp 4-ATP.
Tối ưu hóa q trình chế tạo
Trong khuôn khổ nghiên cứu này, tiếp thu những kết quả đạt được từ các nghiên cứu trước
chúng tôi đã tiến hành các q trình tối ưu hóa dựa theo các bước như sau:
- Tính chất vật lý đảm bảo khả năng đánh dấu.
- Tính kinh tế: mong muốn tạo ra các hạt nano bằng phương pháp đơn giản, có hiệu quả
kinh tế cao.
- Đơn giản hóa phương pháp:
o Thay đổi phương pháp chế tạo để giảm thiểu năng lượng
o Thay đổi phương pháp để giảm thiểu các bước chế tạo
- Tối ưu hóa số lần lọc rửa – kiểm tra bằng phổ hấp thụ UV-vis
Các quy trình đã trình bày ở trên là những quy trình đã qua các bước thử nghiệm để tối ưu hóa.
Kết quả của các quá trình tối ưu hóa cho thấy:

11


-

Hạt nano Bạc vẫn có thể dử dụng như hạt nano kim loại hiếm có khả năng đánh dấu, độ
ổn định tương đối cao và tín hiệu SERS rất mạnh vì vậy được ưu tiên sử dụng cho các

bước tiếp theo

-

-

-

-

Khi sử dụng AgNO3 như tiền chất và PVP, các hạt nano bạc cho phân bố kích thước khá
ổn định. Bên cạnh đó, giá thành của AgNO3 thấp hơn rất nhiều so với Bạc acetate cũng
như HAuCl4.
Việc sử dụng NaBH4 để khử đơn giản hơn về năng lượng, nghĩa là khơng cần các cơng
đoạn đun sơi. Song song với đó, khhi bổ sung PVP như chất hoạt hóa bề mặt, nồng độ
các hạt nano Bạc có thể đưa lên rất cao, thậm chí lên tới 13g/l. Vì vậy sử dụng NaBH4
như chất khử và PVP như chất hoạt hóa được cho là có hiệu quả kinh tế, sản xuất cao
hơn.
Ban đầu, trong q trình chế tạo, chúng tơi tiến hành chế tạo hạt nano kim loại và lọc
trước, sau đó mới chức năng hóa bằng 4-ATP và lọc tiếp một lần nữa. Việc chia qui
trình thành hai bước lớn này vừa làm giảm hiệu suất thu hồi hạt (trong các lần lọc), vừa
kéo dài thời gian tạo mẫu. Chúng tối đã tiến hành ghép hai qui trình làm một; nghĩa là
tiến hành bước chức năng hóa sau khi chế tạo hạt rồi mới lọc rửa.
Cuối cùng, bằng sự trợ giúp kiểm tra của phổ hấp thụ UV-vis, chúng tôi đã đưa ra số lần
lọc tối ưu. Đó là lọc bằng máy li tâm 8000 rpm trong vòng 30 phút. Với 4 lần lọc thì các
hóa chất cịn dư trong q trình chế tạo hạt được coi là sạch.

b. Hạt nano từ Fe3O4
- Sử dụng phương pháp đồng kết tủa để chế tạo các hạt nano Fe3O4 với kích thước nằm trong
khoảng 12-20 nm. Nghiên cứu tính chất từ của mẫu chế tạo.

-

Trộn 100ml FeCl3 nồng độ 0.5M với 100ml FeCl2 nồng độ 0.25M (bước 1). Sau đó
thêm vào 100ml dung dịch Amoni ở nhiệt độ 70◦C (bước 2). Dung dịch được
khuấy đều trong 20 phút (Hình 3.8).

-

Lọc rửa bằng cồn và nước cất nhiều lần thu được hạt nano ô xít Fe3O4 . Dung dịch
chứa các hạt nano ơ xít sắt được giữ ở nhiệt độ phòng trong điều kiện thoáng mát.

12


Hình 3.8: Quy trình chế tạo hạt ơ xít sắt từ Fe3O4

Kết quả
Mẫu hạt nano Fe3O4 sau khi lọc rửa bằng phương pháp tách từ nhiều lần trong nước
cất hai lần được sấy khô và đo phổ nhiễu xạ tia X để xác định cấu trúc tinh thể. Hình 3.9
thể hiện phổ nhiễu xạ tia X của mẫu thu được.

Hình 3.9 Giản đồ nhiễu xạ tia X của Fe3O4

Có thể nhận thấy so với phổ nhiễu xạ chuẩn các đỉnh nhiễu xạ đều khá rõ ràng với
các góc Brag là 30,2o, 35,3o, 43,2o, 53,2o và 57,2o ứng với các mặt nhiễu xạ lần lượt là:

13

(220), (311), (400), (422), (511). Kết quả nhiễu xạ tia X cho thấy hạt nano Fe3O4 đã được
tổng hợp.
Nghiên cứu ảnh hiển vi điển tử truyền qua giúp chúng ta có thêm một cách nhìn trực quan
về kích thước cũng như độ tương phản của hạt đối với các chùm tia electron có năng
lượng cao.
Chùm tới electron có năng lượng 80 kV được sử dụng như là một loại sóng điện từ.
Đối với vật liệu có khả năng hấp thụ cao hơn, trên nền ảnh sẽ có màu tối hơn và ngược lại.
Đây có thể coi là một kiểu tạo ảnh “đen trắng” của mẫu thông qua chùm electron năng
lượng cao.

A

B

Hình 3.10. Ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua của mẫu Fe3O4 và Đường cong từ hóa của mẫu
hạt nano ơ xít sắt làm bằng phương pháp đồng kết tủa.

Hình 3.10 A mơ tả ảnh hiển vi điện tử truyền qua của mẫu hạt Fe3O4. Với độ phóng
đại kể trên ta có thể thấy các hạt nano Fe3O4 có kích thước phân bố tập trung trong khoảng
12-13 nm, phù hợp với số tính tốn từ kết quả nhiễu xạ tia X.
Tính chất từ
Đường cong từ hóa như trong hình 2.10 B cho thấy ở kích thước 12-13 nm, các hạt
nano ơ xít sắt từ (Fe3O4) có tính chất siêu thuận từ với từ độ bão hòa lớn đạt 60.8 emu/g.
Từ độ lớn này và tính chất siêu thuận từ giúp các hạt nano từ có thể định hướng, điều
khiển bằng từ trường bên ngồi. Bên cạnh đó, các hạt không hút nhau và không kết đám

14


sau khi tắt từ trường ngồi. Với tính chất này, các hạt từ có thể được ứng dụng rất linh

hoạt trong tách chiết y sinh.
Kết quả đã được thể hiện trong khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Đinh Thị Thùy
Dương và Lã Thị Quỳnh Nga. Phương pháp chế tạo đã được khảo sát thông qua sự thay
đổi một số thông số như thời gian khuấy, tốc độ nhỏ,…
c. Các hạt QD
Quy trình chế tạo hạt nano ZnS pha tạp Mn nhằm khai thác tính huỳnh quang của hạt
đã được tối ưu hóa sử dụng phương pháp thủy nhiệt. Quy trình chế tạo và kết quả khảo sát
của nghiên cứu đã được đăng trên tạp chí ISI như đính kèm theo báo cáo này.
Kết quả cho thấy khi pha tạp Mn vào tinh thể ZnS, tính chất quang của hạt cho nhiều
kết quả thú vị và khi khảo sát tính chất từ cũng đã khẳng định sự thành công khi pha tạp
ion Mn vào tinh thể ZnS.
Kết quả được đăng trong bài báo sau:
Optical and Magnetic properties of Mn-doped ZnS Nanoparticles Synthesized by a Hydrothermal
Method
Bui Hong Van, Nguyen Hoang Nam, Hoang Nam Nhat, Truong Thanh Trung, Pham Van Ben
IEEE transaction on magnetics Vol. 50 No 6 June 2014, Impact factor 1.21

Quy trình chế tạo hạt nano ZnS:Mn bằng phương pháp hóa ướt được mơ tả trong khóa
luận của hai sinh viên thuộc nhiệm vụ chiến lược là sinh viên Lã Quỳnh Nga và sinh viên
hệ Cử nhân tài năng Phạm Thị Thu Hiền. Quy trình ngắn gọn như sau: Các tiền chất
Zn(CH3COO)2 1M và Mn(NO3)2 0.07M được cho vào dung dịch nước cất cùng với
polyvinylpyrrolidone PVP và được điều chỉnh pH bằng 3. Tỷ lệ tiền chất được tính tốn
để có các tỷ lê ZnS:Mn/Fe3O4 mong muốn. Sau đó ta cho Na2S 1.44M vào dung dịch và
khuấy trong vòng 20 phút. Dung dịch cuối cùng được ly tâm và lọc rủa lấy kết tủa từ 4 đến
6 lần bằng nước cất để loại bỏ các thành phần còn dư sau phản ứng. Phổ XRD của mẫu
chế tạo được có thể xem trên hình 3.17. Các hạt nano chế tạo bằng phương pháp này có ưu
điểm hơn so với phương pháp thủy nhiệt là có thể chế tạo khối lượng lớn và độ lặp lại cao
được ứng dụng trong việc nghiên cứu chế tạo hạt nano đa chức năng.

Nội dung 2,3: Chế tạo và nghiên cứu tính chất các hạt đa chức năng từ-kim loại Fe304

– Ag, từ bán dẫn Fe3O4 – ZnS:Mn
a, Các hạt nano Fe3O4-Ag bọc SiO2

15


Phương pháp chế tạo

Hạt nano đa chức năng Fe3O4-Ag được bọc SiO2 bằng phương pháp vi nhũ tương
đảo (Hình 3.11)
Phương pháp vi nhũ tương đảo được chia thành 2 quá trình chính. Q trình thứ nhất
là sự hình thành hệ vi nhũ tương đảo từ 2 pha kị nước và ái nước. Quá trình thứ 2 là phản
ứng tạo lớp vỏ bao bọc những tiểu cầu ái nước bên trong. Trong thí nghiêm này chúng tơi
đã sử dụng dung dịch toluol làm pha kị nước và dung dịch chứa các hạt nano Ag và Fe3O4
làm pha ái nước. Sau đó sử dụng dung dịch TEOS để tạo thành lớp vỏ silica bao bọc bên
ngoài các tiểu cầu nano Ag và Fe3O4. Các hạt nano bạc trước khi chế tạo được chức năng
hóa bởi nhóm chức 4-ATP như đã mơ tả ở phần trên. Cụ thể các bước chế tạo hạt nano đa
chức năng như sau:
Bước 1
Cho dung dịch Fe3O4 nồngđộ 0.11M + dung dich Ag-4ATP nồngđộ 0.016M ở các tỉ
lệ thể tích khác nhau vào một ống nghiệm có thể tích 50 ml. Bổ sung thêm nước cất vào
trong cốc để được một lượng thể tích dung dịch ái nước khơng đổi là 20 ml.
Sau đó hỗn hợp dung dịch ái nước được đổ vào bình đựng đã chứa sẵn 60ml Toluol
và rung siêu âm trong 2 giờ.
Bước 2
Cho thêm 100ml dung dịch tetraethoxysilane (TEOS) và tiếp tục rung siêu âm trong
2 giờ.
Sau 2 giờ, hệ các phân tử TEOS bị thủy phân, tạo thành các phân tử SiO2 bọc xung
quang các hạt nano Ag-4ATP và Fe3O4.

16


Hình 3.11: Quy trình chế tạo hạt nano đa chức năng

Dung dịch được lọc rửa nhiều lần bằng phương pháp tách từ.
Các hạt sau khi được lọc rửa được bịt kín bằng giấy paraffin hoặc được sấy khơ để
tiến hành khảo sát các tính chất vật lý như :
 Hình thái, cấu trúc

 Tính chất quang
 Tính chất từ.
Nghiên cứu tính chất

Hình thái học
Phần này chúng tơi đi sâu vào kiểm tra các tính chất từ và quang của các hạt nano
đa chức năng để nêu bật ra được khả năng ứng dụng của các hạt đa chức năng này.
Các hạt đa chức năng được chế tạo bằng phương pháp vi nhũ tương đảo có cấu trúc
lí tưởng mong muốn như hình 3.12. Trong đó, các hạt Ag-4ATP và Fe3O4 nằm tách biệt
với nhau và được gói lại bởi một lớp vỏ SiO2. Về mặt cơ bản, từ tính của vật liệu sẽ chỉ
giảm theo độ tăng khối lượng tương đối của vật liệu so với các hạt Fe3O4, nhưng vẫn đảm
bảo được khả năng định hướng trong từ trường của vật liệu. Bên cạnh đó, do lớp 4-ATP
gắn bền trên bề mặt của các hạt kim loại nên tán xạ Raman tăng cường bề mặt của chúng
không mất đi. Các đỉnh tán xạ Raman tăng cường dễ nhận biết cịn có thể được dùng như
những tác nhân đánh dấu và được ứng dụng trong chụp ảnh y sinh.

17


Hình 3.12. Giản đồ mơ phỏng cấu trúc của các hạt đa chức năng

được chế tạo bằng phương pháp vi nhũ tương đảo.

Hình 3.13. Anh chụp kính hiển vi điện tử truyền qua của các hạt nano
Bạc (A), các hạt nano sắt từ Fe3O4 (B) và một hạt nano đa chức năng (C).

Hình 3.13 là kết quả thực tế nhận được từ phương pháp vi nhũ tương đảo. Hình
3.13A cho thấy các hạt nano Bạc sau thời gian 3 tháng đã kết lại với nhau bởi hiện tượng
kết Osward (Osward ripening). Có thể thấy rõ kích thước các hạt khá lớn, tập trung ở
khoảng 20 nm bề rộng. Giữa các vị trí kết đám Osward có thể thấy rõ những lớp kép
tương tác (double layer). Điều này cũng chứng tỏ lớp 4-ATP chưa bao phủ hoàn toàn bề
mặt liên kết của các hạt nano Bạc và chỉ chiếm một phần, những phần không liên kết với

18


4-ATP mở và dễ diễn biến thành các bắt cặp kim loại – kim loại. Chính điều này giúp
chúng ta có thể phân biệt các hạt nano kim loại với các hạt nano sắt từ một cách dễ dàng.
Các hạt sắt từ Fe3O4 có kích thước khá nhỏ, tập trung xung quanh 10-15nm và vì vậy trở
nên mờ hơn so với các hạt nano Bạc (Hình 3.12B). Trong hình 3.12C có thể thấy các lớp
SiO2 rất mỏng, có độ dày khoảng 1 nm, bao bọc xung quang các hạt, tạo thành một vỏ bọc
bao bọc các hạt nhỏ Fe3O4 và các hạt nano bạc lớn hơn. Kích thước của “gói” nano này
khá lớn và vào khoảng 150 nm, có phân bố khơng đồng đều. Mặc dù vậy, kích thước các
“gói” nano hoàn toàn phù hợp cho việc đánh dấu các tế bào, thậm chí là các vi khuẩn với
kích thước nằm trong dải từ 1 µm đến 5 µm. Độ bền vững của hạt nano đa chức năng này
là khá tốt vì sau q trình lọc rửa có dùng siêu âm, cấu trúc hạt vẫn bền vững, có lẽ do sự
liên kết bao bọc của màng SiO2 khá chắc chắn. Đây là kết qủa ban đầu rất đáng khích lệ
khi trong khuôn khổ đề tài chúng tôi đã thành công trong việc tổ hợp hạt nano đa chức
năng bền vững và mang đầy đủ các hạt nano đơn lẻ. Việc tối ưu hóa quy trình chế tạo để
có thể điều khiển được hình dạng, kích thước và các tính chất hướng đích sẽ cần một đề tài
lớn hơn.

Tính chất từ
Hình 3.14. là kết quả đo từ kế mẫu rung của lần lượt các mẫu hạt đa chức năng với
các tỉ lệ thể tích đầu vào của các dung dịch Fe3O4/Ag-4ATP thay đổi. Kết quả này được so
sánh với từ độ của các hạt Fe3O4 trước khi bọc. Từ đây có thể đưa ra tính tốn tương đối tỉ
phần khối lượng của các hạt Fe3O4 trong cấu trúc vi nhũ tương đảo của các hạt đa chức
năng (Bảng 3.2).

Hình 3.14: Đường cong từ hóa của hạt Fe3O4 và mẫu đa chức năng SiO2 bọc (Ag
+ Fe3O4) với các tỉ lệ Ag/Fe3O4 lần lượt là 9/2 và 13.5/2 theo thể tích

19


Bảng 3.2. So sánh kết quả đo từ tính của các hạt đa chức năng với các tỉ lệ Fe3O4/Ag khác
nhau
Tỉ lệ tương đối theo
khối lượng Ag/Fe3O4
(tính tốn lí thuyết)

Tỉ lệ tương đối
theo thể tích
Ag/Fe3O4 (thực

Nồngđộ
(ppm)

Từ độ bão
hịa (emu/g)

Tỉ phần khối

lượng của
các hạt

nghiệm)

Fe3O4

1/3

9/2

113

50.5

83.3 %

1/2

13.5/2

133

42.8

70.6 %

Có thể thấy tỉ lệ tương đối khối lượng đầu vào Ag/Fe3O4 có thể sử dụng để điều
khiển từ tính của các hạt đa chức năng. Khi tăng lượng tỉ lệ tương đối của dung dịch chứa
các hạt Ag-4ATP so các hạt Fe3O4 thì từ tính của các hạt đa chức năng giảm dần. Tuy

nhiên với từ tính như trên, các hạt đa chức năng vẫn cho thấy tính chất siêu thuận từ; nghĩa
là chúng ta có thể định hướng, điều khiển chúng bằng một từ trường bên ngồi (Loạt hình
3.15). Sau khi tắt từ trường đi, các hạt lại phân lập với nhau thành dạng keo ở trong dung
dịch mà không bị hút nhau như các hạt nam châm nhỏ. Điều này vẫn đảm bảo được khả
năng ứng dụng của các hạt đa chức năng.

Hình 3.15. Hình miêu tả khả năng định hướng theo từ
trường của các hạt nano đa chức năng.

20


Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt

Hình 3.16. Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt của các hạt nano đa
chức năng

Hình 3.16 cho kết quả đo tán xạ Raman củacác hạt đa chức năng. Có thể thấy một
số đỉnh đặc trưng vẫn còn hiển thị rất rõ ràng sau khi các hạt nano đơn lẻ được bọc trong
một lớp silica. Đó là các đỉnh tán xạ ứng tại các vị trí 1076 cm-1, 1145 cm-1, 1442 cm-1 và
tại 1579 cm-1 lặp lại so với phép đo tán xạ Raman trước đó đã thực hiện với mẫu các hạt
nano Ag-4ATP. Điều này chứng tỏ lớp 4-ATP không hề bị mất đi trên bề mặt của các hạt
nano kim loại. Bên cạnh đó, các đỉnh này rất rõ ràng có độ bán rộng nhỏ (kéo dài khoảng
30 đơn vị số sóng – cm-1) cho thấy tính đặc hiệu rất cao, và có thể đo được trong thời gian
rất ngắn nếu ta chi đo trong một khoảng bước sóng nhất định. Các đỉnh thấy khơng xuất
hiện, hoặc xuất hiện thêm có thể được giải thích bởi sự che khuất và thêm vào của lớp vỏ
bọc SiO2. Sự dịch vị trí của các đỉnh là do sự góp mặt tương tác của các hạt nano từ tính
bên trong các hạt đa chức năng.
Kết quả này cho thấy chúng tôi đã thành công trong việc tổ hợp một loại hạt nano
đa chức năng từ-quang có khả năng tách chiết và sử dụng SERS trong việc đánh dấu sinh

học. Kêt quả này đã được xuất bản trong bài báo sau:
Combination of 4-ATP Coated Silver Nanoparticles and Magnetic Fe3 O4
Nanoparticles by Inverse Emulsion Method
Chu Tien Dung, Nguyen Quang Loc, Phi Thi Huong, Dinh Thi Thuy Duong, Tran
Thi Hong, Luu Manh Quynh, Nguyen Hoang Nam
VNU journal of science: Mathematics and Physics, 2014, Vol 30 No. 2, 1-9

21


b. Các hạt nano đa chức năng từ-bán dẫn Fe3O4 – ZnS:Mn
Các hạt nano đa chức năng từ - bán dẫn được chế tạo dưa trên hai mơ hình tiếp cận.
Mơ hình thứ nhất là mơ hình tương tự như mơ hình trong phần trên dung để chế tạo hạt
nano đa chức năng từ - kim loại, đó là sử dụng phương pháp vi nhũ tương để bọc một lớp
SiO2 bên ngồi các hạt nano đơn lẻ thành phần. Mơ hình thứ hai là tạo ra một cầu nối sinh
học giữa hai hạt nano đơn lẻ để tạo nên một tổ hợp nano đa chức năng có khả năng hoạt
động như một cảm biến sinh học.
b1, Các hạt nano đa chức năng từ-bán dẫn Fe3O4 – ZnS:Mn bọc SiO2 bằng phương pháp
vi nhũ tương
Quy trình chế tạo hạt nano đa chức năng từ-bán dẫn bằng phương pháp vi nhũ
tương được tiến hành tương tự như quy trình chế tạo hạt nano đa chức năng kim loại – bán
dẫn , điểm khác biệt là sử dụng hạt nano bán dẫn ZnS:Mn đã được chế tạo bằng phương
pháp hóa ướt như đã trình bày trong Nội dung 1 thay hạt nano kim loại.
Hình 3.17 thể hiện phổ XRD của các mẫu hạt nano Fe3O4, mẫu hạt nano ZnS pha
tạp Mn và mẫu hạt nano đa chức năng bọc SiO2 bằng phương pháp vi nhũ tương. Mẫu hạt
nano đa chức năng được chế tạo với các tỷ lệ hạt nano đơn lẻ khác nhau, tuy nhiên đều thể
hiện các đỉnh phổ của ZnS và Fe3O4 mặc dù cường độ các đỉnh yếu do có ảnh hưởng của
lớp bọc SiO2.
Tính chất từ của các hạt nano da chức năng cũng được nghiên cứu và thể hiện trên
hình 3.18. Các hạt nano ZnS pha tạp Mn có từ tính yếu được thể hiện trong hình nhỏ. Hạt

nano Fe3O4 có từ tính mạnh nhất và khi tạo thành các hạt nano đa chức năng, từ tính của
các hạt nano đa chức năng giảm xuông so với các hạt nano Fe3O4 khi các thành phần phi
từ tính như SiO2 và các thành phần từ tính yếu như ZnS:Mn tăng lên trong hạt nano đa
chức năng.
Tính chất quang của hạt nano đa chức năng cũng được nghiên cứu và kết quả cho
thấy hạt nano đa chức năng có tính chất quang khá tốt. Hình 3.19 thể hiện phổ huỳnh
quang của hạt nano đa chức năng kích thích tại 325 nm và phổ kích thích huỳnh quang tại
586 nm. Hạt nano đa chức năng với tỷ lệ ZnS:Mn/Fe3O4 là 2:1 cho cường độ huỳnh quang
lớn nhất tại bước sóng 586 nm khi kích thích tại 325 nm
Kết quả này được thể hiện trong khóa luận tốt nghiệp của sinh viên chương trình
nhiệm vụ chiến lược Lã Quỳnh Nga.

22


Hình 3.17. Phổ XRD của các mẫu hạt nano Fe3O4, mẫu hạt nano ZnS pha tạp
Mn và mẫu hạt nano đa chức năng bọc SiO2 bằng phương pháp vi nhũ tương

23


Hình 3.18. Đường cong từ hóa của các mẫu nano ZnS:Mn(a),
nano Fe3O4 (g) và các mẫu hạt đa chức năng với các tỷ lệ thành
phần ZnS:Mn/Fe3O4 từ 5:1 (b) 4:1 (c) 3:1 (d) 2:1 (e)và 1:1 (f).
b2, Các hạt đa chức năng sử dụng để tách chiết và đo đạc nồng độ DNA của virus EBV
trong dung dịch
Do kích thước hạt đa chức năng được bọc đa lớp bởi SiO2 và các lớp amin
(APTES) tương đối lớn, chỉ phù hợp với các đối tượng lớn hơn 200 nm, thậm chí cỡ
micromet, chúng tôi tiến hành chế tạo hệ hạt đa chức năng bao gồm các hạt sắt từ bọc
silica và các hạt ZnS/Mn có đính với các chuỗi DNA dị có kích thước phù hợp hơn để

tách chiết cũng như đo đạc nhanh nồng độ của DNA EBV có trong dung dịch.

Hình 3.20. Mơ tả hệ đa chức năng để tách chiết, đo đạc nồng độ
DNA

24