Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------
Nguyễn Thị Nhung
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO
ĐA CHỨC NĂNG Ag-4ATP/Fe3O4 BỌC SiO2
NHẰM ỨNG DỤNG TRONG SINH HỌC
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Hà Nội - 2013
1
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------
Nguyễn Thị Nhung
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO ĐA CHỨC NĂNG Ag-4ATP/Fe3O4 BỌC SiO2
NHẰM ỨNG DỤNG TRONG SINH HỌC
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn
Mã số: 60 44 01 04
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hoàng Nam
Hà Nội - 5/2013
2
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
Mở đầu
Công nghệ nano đã có những bước phát triển mạnh mẽ kể từ khi nó xuất hiện tới
nay và đã tạo ra diện mạo mới cho không chỉ các ngành khoa học cơ bản mà còn cho
các ngành khoa học ứng dụng trong thực tế đời sống.Một trong những hướng phát
triển mạnh mẽ là vật liệu nano được nghiên cứu ứng dụng rất nhiều trong nghiên cứu
đánh dấu, chữa trị y sinh bởi bên cạnh việc chúng có kích thước phù hợp với kích
thước các phân tử sinh học chúng còn có các tính chất vật lý đặc biệt tại các kích thước
này [1, 2].
Một trong những tính chất đặc biệt đó là tổng diện tích bề mặt tăng vọt khi kích
thước vật liệu gỉảm xuống đến kích cỡ nano, giúp cho diện tích tiếp xúc giữa vật liệu
và các phân tử sinh học tăng dẫn tới hệ quả là sự tăng vọt độ nhạy của các phép đo,
cảm biến [3, 4]. Hình thái, kích thước của các hạt kim loại như vàng, bạc… được điều
khiển để chúng có dạng thanh [5], dạng cầu [6] hoặc kim tự tháp [7]… phục vụ cho
các mục đích khác nhau như đánh dấu và điều trị trong y sinh. Các vật liệu bán dẫn
cũng được nghiên cứu ở các hình thái khác nhau như tetrapod, dạng cầu để tăng diện
tích tiếp xúc với các enzyme, cơ chất chỉ thị trong các nghiên cứu tăng độ nhạy của
cảm biến điện hóa. Ngoài ra, để tăng độ khả năng ứng dụng trong sinh học, các vật
liệu nano còn được bọc bởi nhiều lớp polymer khác nhau như polyethylene glycol [8,
9, 10, 11, 12], chitosan, polyalanine … Những lớp vỏ này bên cạnh việc bảo vệ các hạt
nano khỏi tác động của môi trường, giảm tính độc hại [13, 14, 15] còn tạo ra các gốc
hữu cơ có tính tương thích sinh học cao như amin (-NH2), carboxyl (-COOH), …
Song song với việc thay đổi kích thước các vật liệu nano đơn chức năng và thay
đổi các lớp vỏ bọc hữu cơ tương thích sinh học, các loại vật liệu đa chức năng có cấu
trúc lõi vỏ cũng liên tục được phát triển sao cho phù hợp với mục tiêu nghiên cứu ứng
dụng. Các lớp vỏ kim loại quý như Au, Ag, [16] … được sử dụng để tăng độ bền hóa
học của các hạt từ, đồng thời cũng tăng khả năng liên kết với các phân tử hữu cơ có
các gốc thiol (-SH). Các lớp vỏ bán dẫn chứa sulfide như ZnS được tạo ra trên bề mặt
các vật liệu huỳnh quang bán dẫn vừa để tăng khả năng phát huỳnh quang đồng thời
cùng tăng khả năng tương tác với các gốc phân tử có lưu huỳnh. Trong những năm gần
3
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
đây, mặc dù số lượng các nhóm nghiên cứu cũng như các công trình công bố trên thế
giới về việc chế tạo các hạt nano đa chức năng có cấu trúc lõi vỏ tăng vọt, nhưng vẫn
không thiếu những thách thức. Đầu tiên, để chế tạo ra được cấu trúc lõi vỏ hoàn hảo,
thường cần có điều kiện thí nghiệm ngặt nghèo, qui mô phòng thí nghiệm phải đảm
bảo độ sạch và vì vậy nên giá thành chế tạo rất cao, đi đôi với việc khó khăn trong
công nghiệp hóa. Bởi vậy, nhóm nghiên cứu đã định hướng sử dụng phương pháp đơn
giản là vi nhũ tương đảo để nghiên cứu tổ hợp các hạt nano đa chức năng vừa có tính
từ và vừa cho tín hiệu đặc trưng có thể đánh dấu của các hạt nano kim loại.
Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi trình bày phương pháp tổ hợp hạt nano
đa chức năng từ các hạt nano đơn lẻ là hạt nano từ Fe3O4 và hạt nano Ag chức năng
hóa bề mặt bởi nhóm chức 4-ATP (aminothiophenol). Các hạt đơn lẻ này được tổ hợp
trong một lớp vỏ SiO2 [16, 17] chung để giúp hạt nano đa chức năng mang tính tương
thích sinh học cao. Các hạt nano đơn chức năng được chế tạo riêng lẻ và được tổ hợp
lại băng phương pháp vi nhũ tương đảo. Sau khi được tổ hợp, hạt nano đa chức năng
được khảo sát từ tính và tính chất quang bằng phương pháp tán xạ Raman tăng cường
bề mặt cho thấy các tính chất của hạt nano đơn chức năng vẫn thể hiện rõ rệt. Kết quả
này đã mở ra triển vọng cho việc chế tạo các hạt nano đa chức năng với giá thành rẻ và
có tiềm năng rất lớn trong ứng dụng thực tế.
4
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
Chƣơng 1: Tổng quan
1.1. Khoa học và công nghệ nano
Khoa học và công nghệ nano là một ngành khoa học còn rất trẻ với tuổi đời
không quá 60 năm (từ 1954) nhưng những năm gần đây ngành khoa học công nghệ
nano thu hút được sự quan tâm trên rất nhiều các lĩnh vực bởi tính chất thú vị của
nó. Khi kích thước của vật liệu nhỏ và đạt đến ngưỡng đủ nhỏ - nanomet - thì chúng
có những tính chất đặc biệt thú vị. Các vật liệu sắt từ như Fe3O4, CoPt, FeCo ...
ởkích thước nano sẽ mang tính chất của vật liệu siêu thuận từ. Tương tự vậy, trong
các vật liệu bán dẫn như ZnO, TiO2, ZnS, PbS, ... ở các kích thước nhỏ đạt đến bán
kính tương tác exciton xuất hiện sự thay đổi của năng lượng chuyển mức dẫn đến
khả năng phát quang của vật liệu (quantum dots – chấm lượng tử). Các kim loại dẫn
điện tốt còn có thêm một tính chất mới rất thú vị đó là cộng hưởng plasmon bề mặt
khi kích thước vật liệu đạt đến thang đo nano. Các tính chất kể trên không chỉ mở ra
nhiều định hướng nghiên cứu cho các ngành khoa học cơ bản mà còn đem lại rất
nhiều cơ hội cho các ngành nghiên cứu ứng dụng.
Bên cạnh sự xuất hiện của các tính chất mới, khi kích thước của vật liệu càng
nhỏ diện tích bề mặt của chúng càng lớn. Điều này trở thành một lợi thế rất lớn cho
các vật liệu có cấu trúc nano trong các ngành khoa học ứng dụng cỡ phân tử như xử
lí môi trường, sinh học phân tử... Diện tích bề mặt tăng đầu tiên giúp cho khả năng
liên kết của vật liệu với các vật liệu khác. Trên bề mặt của vật liệu có các phần tử
bắt cặp tốt với các chất chỉ thị đặc trưng, hoặc thậm chí với các chất bụi bẩn thông
qua các liên kết cộng hóa trị, liên kết ion... tạo cơ hội ứng dụng cho việc xử lí chất
thải, lọc nước và vệ sinh môi trường.
Bằng cách xử lý bề mặt để vật liệu có thêm những tính chất mới phù hợp với
mục đích ứng dụng như chức năng hóa bề mặt, phủ bề mặt bằng một lớp vật liệu
khác có hoạt tính mới... vật liệu nano còn được ứng dụng vào trong các ngành khoa
học khác như y sinh, chế tạo cảm biến ... Diện tích bề mặt tăng, kích thước nhỏ là
lợi thế trong việc giảm thiểu kích thước của sản phẩm, cũng như làm tăng độ nhạy
của các phép đo trong các ứng dụng.
5
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
1.2. Hạt nano từ Fe3O4
Các vật liệu từ thông thường đều có sự hưởng ứng với từ trường ngoài (H),
thể hiện bằng độ từ hóa (từ độ - M). Tỷ số = M/H được gọi là độ cảm từ. Tùy
thuộc vào giá trị, độ cảm từ có thể phân ra làm các loại vật liệu từ khác nhau.Vật
liệu có < 0 (~ -10-6) được gọi là vật liệu nghịch từ. Vật liệu có > 0 (~10-6) được
gọi là vật liệu thuận từ. Vật liệu có > 0 với giá trị rất lớn có thể là vật liệu sắt từ,
ferri từ. Ở đây, vật liệu có từ tính ngụ ý là vật liệu sắt từ, ferri từ hoặc siêu thuận từ.
Ngoài độ cảm từ, một số thống số khác cũng rất quan trọng trong việc xác định tính
chất của vật liệu, ví dụ như: từ độ bão hòa MS (từ độ đạt cực đại tại từ trường lớn),
từ dư Mr (từ độ còn dư sau khi ngừng tác động của từ trường ngoài), lực kháng từ
HC (từ trường ngoài cần thiết để một hệ, sau khi đạt trạng thái bão hòa từ, bị khử
từ). Nếu kích thước của hạt giảm đến một giá trị nào đó (thông thường từ vài cho
đến vài chục nano mét), phụ thuộc vào từng vật liệu cụ thể, tính sắt từ và ferri từ
biến mất, chuyển động nhiệt sẽ thắng thế và làm cho vật liệu trở thành vật liệu siêu
thuận từ. Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ gần như bằng không.
Điều đó có nghĩa là, khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn
từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng
dụng y sinh học. Hạt nano từ tính dùng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều
kiện sau: tính đồng nhất của các hạt cao, từ độ bão hòa lớn và vật liệu có tính tương
hợp sinh học (không có độc tính). Tính đồng nhất về kích thước và tính chất liên
quan nhiều đến phương pháp chế tạo còn từ độ bão hòa và tính tương hợp sinh học
liên quan đến bản chất của vật liệu. Trong tự nhiên, sắt (Fe) là vật liệu có từ độ bão
hòa lớn nhất tại nhiệt độ phòng. Ngoài ra sắt ở một nồng độ nhỏ không độc đối với
cơ thể người cộng thêm tính ổn định khi làm việc trong môi trường không khí nên
các vật liệu như ô-xít sắt Fe3O4 được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nanô từ tính
ứng dụng trong y sinh.
Một trong các tính chất quan trọng của hạt nano từ là tính siêu thuận từ có
được khi kích thước nhỏ đến mức năng lượng nhiệt thắng thế so với trạng thái trật
tự từ. Kích thước chuyển sắt từ-siêu thuận từ được xác định bởi công thức sau:
6
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
KV< 25 kBT
Trong đó, K là hằng số dị hướng từ tinh thể, V là thể tích hạt nano, kB là hằng
số Boltzman, T là nhiệt độ. Với một kích thước nhất định thì khi nhiệt độ thấp hạt
nano thể hiện tính sắt từ, khi nhiệt độ cao hạt nano thể hiện tính siêu thuận từ. Nhiệt
độ mà ở đó hạt nano chuyển từ sắt từ sang siêu thuận từ gọi là nhiệt độ chuyển TB.
Ở trạng thái siêu thuận từ vật liệu hưởng ứng mạnh với từ trường ngoài nhưng khi
không có từ trường hạt nano ở trạng thái mất từ tính hoàn toàn. Bằng việc lựa chọn
vật liệu và kích thước, chúng ta có thể có được hạt nano siêu thuận từ như mong
muốn.
Ngoài ra, các hạt nano từ tính có kích thước tương ứng với kích thước của
các phân tử nhỏ (1-10 nm) hoặc kích thước của các vi rút (10-100 nm). Chính vì thế
mà hạt nano có thể thâm nhập vào hầu hết các cơ quan trong cơ thể và giúp cho
chúng ta có thể thao tác ở qui mô phân tử và tế bào. Diện tích bề mặt lớn của các
hạt nano giúp cho các hiệu ứng xảy ra bên trên bề mặt diễn ra rất mạnh mẽ. Ví dụ
chức năng hóa bề mặt của hạt nano từ tính thì việc gắn kết hạt nano với các tế bào
thông qua các kháng thể/kháng nguyên sẽ dễ dàng.
Một số phương pháp chế tạo hạt nano oxít sắt từ Fe3O4:
Phương pháp nghiền:
Phương pháp nghiền được phát triển từ rất sớm để chế tạo hạt nano từ tính
dùng cho các ứng dụng vật lý như truyền động từ môi trường không khí vào buồng
chân không, làm chất dẫn nhiệt trong các loa công suất cao,... Trong những nghiên
cứu đầu tiên về CLT, vật liệu từ tính ô-xít sắt Fe3O4 được nghiền cùng với chất hoạt
hóa bề mặt CHHBM (ví dụ a-xít Oleic) và dung môi (dầu, hexane). CHHBM giúp
cho quá trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt kết tụ với nhau. Sau
khi nghiền, sản phẩm phải trải qua một quá trình phân tách hạt rất phức tạp để có
được các hạt tương đối đồng nhất. Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và
chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn. Việc thay đổi CHHBM và dung môi
không ảnh hưởng nhiều đến quá trình chế tạo. Nhược điểm của phương pháp này là
tính đồng nhất của các hạt nano không cao vì khó có thể khống chế quá trình hình
7
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
thành hạt nano.Hạt nano từ tính chế tạo bằng phương pháp này thường được dùng
cho các ứng dụng vật lý.
Phương pháp đồng kết tủa:
Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ của chất đạt đến một
trạng thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tụ.
Các mầm kết tụ đó sẽ phát triển thông qua quá trình khuyếch tán của vật chất từ
dung dịch lên bề mặt của các mầm cho đến khi mầm trở thành hạt nano (hình 1.1).
Để thu được hạt có độ đồng nhất cao, người ta cần phân tách hai giai đoạn hình
thành mầm và phát triển mầm. Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế sự hình
thành của những mầm mới.Các phương pháp sau đây là những phương pháp kết tủa
từ dung dịch: đồng kết tủa, nhũ tương, polyol, phân ly nhiệt...Phương pháp đồng kết
tủa là một trong những phương pháp thường được dùng để tạo các hạt ô-xít sắt. Có
hai cách để tạo ô xít sắt bằng phương pháp này đó là hydroxide sắt bị ô xi hóa một
phần bằng một chất ô xi hóa nào đó và già hóa hỗn hợp dung dịch có tỉ phần hợp thức Fe+2 và Fe+3 trong dung môi nước.
Phương pháp thứ nhất có thể thu được hạt nano có kích thước từ 30 nm –
100 nm. Phương pháp thứ hai có thể tạo hạt nano có kích thước từ 2 nm – 15 nm.
Bằng cách thay đổi pH và nồng độ ion trong dung dịch mà người ta có thể có được
kích thước hạt như mong muốn đồng thời làm thay đổi điện tích bề mặt của các hạt
đã được hình thành.
Hình 1.1: Cơ chế hình thành và phát triển hạt nano trong dung dịch
Cơ chế tổng hợp hạt nano Fe3O4 như sau: với tỉ phần mol hợp lí Fe3+/Fe2+ = 2
trong môi trường kiềm có pH = 9 – 14 và trong điều kiện thiếu ô xy.
8
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
Fe3+ + H2O Fe(OH)x3-x (thông qua quá trình mất proton) Fe2+ + H2O Fe(OH)y2-y (thông qua quá trình mất proton) Fe(OH)x3-x + Fe(OH)y2-y Fe3O4 (thông qua quá trình ô xi hóa và dehydride
hóa, pH > 9, nhiệt độ 60°). Tổng hợp các phản ứng trên chúng ta có phương trình
sau:
Fe2+ + 2Fe3+ + 8OH- = Fe3O4 + 4H2O
Nếu có ô xi thì magnetite bị ô xi hóa thành hdroxide theo phản ứng:
Fe3O4 + 0,25 O2 + 4,5 H2O 3Fe(OH)3
Phương pháp vi nhũ tương:
Vi nhũ tương cũng là một phương pháp được dùng khá phổ biến để tạo hạt
nano. Với nhũ tương “nước-trong-dầu”, các giọt dung dịch nước bị bẫy bởi các
phân tử CHHBM trong dầu (các mixen) (hình 1.2). Đây là một dung dịch ở trạng
thái cân bằng nhiệt động trong suốt, đẳng hướng. Do sự giới hạn về không gian của
các phân tử CHHBM, sự hình thành, phát triển các hạt nano bị hạn chế và tạo nên
các hạt nano rất đồng nhất. Kích thước hạt có thể từ 4-12 nm với độ sai khác
khoảng 0.2-0.3 nm. Ví dụ, dodecyl sulfate sắt, Fe(DS)2, được dùng trong phương
pháp vi nhũ tương để tạo hạt nano từ tính với kích thước có thể được điều khiển
bằng nồng độ chất hoạt hóa bề mặt (CHHBM) là AOT và nhiệt độ.
Phương pháp vi nhũ tương cũng là một phương pháp chế tạo hạt nano đã
được thế giới ứng dụng từ lâu do khả năng điều khiển kích thước hạt dễ dàng của
nó. Cơ chế cụ thể của phản ứng xảy ra trong hệ vi nhũ tương như sau (hình 3): Phản
ứng hóa học tạo các chất mong muốn sẽ xảy ra khi ta hòa trộn các hệ vi nhũ tương
này lại với nhau. Có 2 cách để các phân tử chất phản ứng gặp nhau:
9
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
Hình 1.2: Hệ nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước.
Cách thứ nhất: Các phân tử chất phản ứng thấm qua lớp màng chất hoạt hóa
bề mặt ra ngoài và gặp nhau. Nhưng thực tế thì tỷ lệ sản phẩm tạo thành theo cách
này là rất nhỏ,không đáng kể.
Cách thứ hai: Khi các hạt vi nhũ tương của các chất phản ứng gặp nhau, nếu
có đủ lực tác động thì 2 hạt nhỏ (A,B) có thể tạo thành một hạt lớn hơn (C). Các
chất phản ứng trong 2 hạt nhỏ sẽ hòa trộn, phản ứng xảy ra trong lòng hạt lớn và sản
phẩm mong muốn được tạo thành (ở đây là các hạt magnetite Fe3O4).Các hạt
magnetite Fe3O4 sau khi tạo thành sẽ bị chất hoạt hóa bề mặt bao phủ và ngăn cản
không cho phát triển thêm về kích thước.
Hình 1.3: Cơ chế hoạt động của phương pháp vi nhũ tương.
10
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
Cũng bằng phương pháp này, người ta có thể chế tạo hạt ô-xít sắt bao phủ
bởi một lớp vàng để tránh ô-xi hóa và tăng tính tương hợp sinh học. Ở đây người ta
dùng cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) là CHHBM và octane là pha dầu
dung dịch phản ứng ở trong pha nước.
Ứng dụng của hạt nano từ Fe3O4
Hạt nano từ Fe3O4 đã được nghiên cứu, ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực
đặc biệt gần đây là trong y sinh. Các ứng dụng của hạt nano từ trong y sinh học
được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể và trong cơ thể. Phân tách và chọn
lọc tế bào là ứng dụng ngoài cơ thể nhằm tách những tế bào cần nghiên cứu ra khỏi
các tế bào khác. Các ứng dụng trong cơ thể gồm: dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và
tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ.
Phân tách và chọn lọc tế bào: Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải
tách một loại thực thể sinh học nào đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng
nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác. Phân tách tế bào sử dụng các hạt
nano từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng. Quá trình phân
tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu; và
tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường.
- Việc đánh dấu được thông qua các hạt nano từ tính, thường dùng các hạt
nano oxit sắt. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự
các phân tử trong hệ miễn dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào
hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và
thể golgi…Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị
trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nano
phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ.
- Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài. Từ
trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được
đánh dấu. Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát
ra ngoài.
Hỗn hợp tế bào và chất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp CHHBM)
được trộn với nhau để các lên kết hóa học giữa chất đánh dấu và tế bào xảy ra. Sử
11
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
dụng một từ trường ngoài là một thanh nam châm vĩnh cửu để tạo ra một gradient từ
trường giữ các hạt tế bào được đánh dấu lại.
Dẫn truyền thuốc: Hạt nano từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết
với thuốc điều trị. Lúc này hạt nano có tác dụng như một hạt mang. Thông thường
hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi
các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để
tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể. Một khi hệ thuốc/hạt được tập
trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt
động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như
độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt độ. Quá trình vật lý diễn ra
trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự như trong phân tách tế bào.
Các hạt nano từ tính thường dùng là ô-xít sắt (magnetite Fe3O4, maghemite
a-Fe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh
học như PVA, detran hoặc silica. Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt
để có thể liên kết với các phân tử khác như nhóm chức carboxyl, biotin,...
Tăng thân nhiệt cục bộ: Phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ các tế bào ung
thư mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường là một trong những ứng dụng
quan trọng khác của hạt nano từ tính. Nguyên tắc hoạt động là các hạt nano từ tính
có kích thước từ 20-100 nm được phân tán trong các mô mong muốn sau đó tác
dụng một từ trường xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho
các hạt nano hưởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh. Nhiệt
độ khoảng 42°C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư.
[27]
Lọc Asen: Oxit sắt có tính phản ứng mạnh với hợp chất Asen để tạo thành
hợp chất sắt – Asen trên bề mặt oxit. Lợi dụng tính chất này, người ta áp dụng các
tinh thể nano đồng nhất Fe3O4 để tách Asen khỏi nước. Nguyên tắc hoạt động là cho
hạt nano Fe3O4 vào nước, để các nguyên tử Asen gắn kết trên bề mặt mà sau đó loại
bỏ bằng từ trường. Do có diện tích bề mặt lớn, nên hạt nano Fe3O4 có hiệu suất lọc
Asen cao, có tính ứng dụng cao trong thực tiễn và bước đầu đã được sử dụng trong
một số máy lọc nước.
12
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
1.3. Hạt nano bạc
Bạc và các hợp chất của bạc thể hiện tính độc đối với vi khuẩn, virus, tảo và
nấm . Tuy nhiên, khác với các kim loại nặng khác (chì, thủy ngân…) bạc không thể
hiện tính độc với con người.
Từ xa xưa, người ta đã sử dụng đặc tính này của bạc để phòng bệnh.Người
cổ đại sử dụng các bình bằng bạc để lưu trữ nước, rượu dấm.Trong thế kỷ 20, người
ta thường đặt một đồng bạc trong chai sữa để kéo dài độ tươi của sữa. Bạc và các
hợp chất của bạc được sử dụng rộng rãi từ đầu thế kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX để
điều trị các vết bỏng và khử trùng.
Sau khi thuốc kháng sinh được phát minh và đưa vào ứng dụng với hiệu quả
cao người ta không còn quan tâm đến tác dụng kháng khuẩn của bạc nữa. Tuy
nhiên, từ những năm gần đây, do hiện tượng các chủng vi sinh ngày càng trở nên
kháng thuốc, người ta lại quan tâm trở lại đối với việc ứng dụng khả năng diệt
khuẩn và các ứng dụng khác của bạc, đặc biệt là dưới dạng hạt có kích thước nano.
Hạt nano bạc là các hạt bạc có kích thước từ 1 nm đến 100 nm. Do có diện
tích bề mặt lớn nên hạt nano bạc có khả năng kháng khuẩn tốt hơn so với các vật liệu khối do khả năng giải phóng nhiều ion Ag+ hơn. Tương tự các hạt nano kim
loại khác, các hạt nano bạc có hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt. Hiện tượng
này tạo nên màu sắc từ vàng nhạt đến đen cho các dung dịch có chứa hạt nano bạc
với các màu sắc phụ thuộc vào nồng độ và kích thước.
Một số phương pháp chế tạo:
Phương pháp hóa khử:
Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại
thành kim loại. Thông thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nên còn
gọi là phương pháp hóa ướt. Đây là phương pháp từ dưới lên. Dung dịch ban đầu có
chứa các muối của các kim loại như HAuCl4, H2PtCl6, AgNO3. Tác nhân khử ion kim loại Ag+, Au+ thành Ag0, Au0 ở đây là các chất hóa học như Citric acid, vitamin
C, Sodium Borohydride NaBH4, Ethanol (cồn), Ethylene Glycol (phương pháp sử
dụng các nhóm rượu đa chức như thế này còn có một cái tên khác là phương pháp
13
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
polyol). Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám,
người ta sử dụng phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng
điện tích và đẩy nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc chất hoạt hóa bề mặt.
Phương pháp tĩnh điện đơn giản nhưng bị giới hạn bởi một số chất khử. Phương
pháp bao phủ phức tạp nhưng vạn năng hơn, hơn nữa phương pháp này có thể làm
cho bề mặt hạt nano có các tính chất cần thiết cho các ứng dụng. Các hạt nano Ag,
Au, Pt, Pd, Rh với kích thước từ 10 đến 100 nm có thể được chế tạo từ phương pháp
này.
Phương pháp ăn mòn Laser:
Đây là phương pháp từ trên xuống . Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt
trong một dung dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt. Một chùm Laser xung có
bước sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 ns, tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung là 90
mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1-3 mm. Dưới tác dụng của chùm laser
xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm được hình thành và được bao phủ
bởi chất hoạt hóa bề mặt CnH2n+1SO4Na với n = 8, 10, 12, 14 với nồng độ từ 0,001
đến 0,1 M.
1.4. Tính chất quang của hạt nano kim loại và ứng dụng:
1.4.1. Hiệu ứng Plasmon bề mặt
Một trong những tính chất quan trọng của các hạt nano kim loại, đó là hiện
tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt. Hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt là hiệu
ứng đặc trưng của các hạt nano kim loại. Vì trong kim loại có nhiều điện tử tự do
nên khi hấp thụ ánh sáng chiếu vào các điện tử tự do này sẽ dao động tập thể cùng
pha với điện trường ánh sáng. Dao động đó gọi là dao động Plasma điện tử. Khi
quãng đường tự do trung bình của các điện tử nhỏ hơn kích thước của chúng, các
dao động này thông thường bị dập tắt bởi các sai hỏng mạng hay chính các nút
mạng trong tinh thể nguyên tử kim loại. Nhưng khi kim loại ở kích thước nano thì
kích thước của chúng lại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình do đó hiện tượng
14
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
dập tắt không còn nữa mà các điện tử sẽ dao động cộng hưởng vói ánh sáng kích
thích.
Do vậy tính chất quang của hạt nano kim loại có được do sự dao động tập thể
của các điện tử dẫn đến quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động
như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực
điện tạo thành một lưỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ
thuộc vào nhiều yếu tố nhưng hình dáng, kích thước, độ lớn của hạt nano và môi
trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất. Ngoài ra mật độ hạt nano
cũng ảnh hưởng đến tính chất quang. Nếu mật độ loãng có thể coi như gần đúng các
hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải kể đến tương tác giữa các hạt (Hình 1.4).
Hình 1.4. Mô tả hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt của hạt nano kim loại.
1.4.2. Tán xạ Raman
Năm 1982, Chandrasekhra Venkata Raman khám phá ra hiện tượng mà sau
này nó được mang tên ông bằng những dụng cụ đo phổ thô sơ – hiện tượng tán xạ
Raman.
Tán xạ Raman là một quá trình tán xạ không đàn hồi giữa photon (lượng tử
ánh sáng) và một lượng tử dao động của vật chất hay mạng tinh thể. Sau quá trình
va chạm, năng lượng của photon giảm đi (hoặc tăng lên) một lượng bằng năng
lượng giữa hai mức dao động của nguyên tử (hoặc mạng tinh thể) cùng với sự tạo
15
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
thành (hoặc hủy) một hạt lượng tử dao động. Dựa vào phổ năng lượng thu được, ta
có thể có những thông tin về mức năng lượng dao động của nguyên tử, phân tử hay
mạng tinh thể.
Cơ sở lý thuyết tán xạ Raman
Trong quang phổ Raman, mẫu được chiếu xạ bởi chùm laser cường độ mạnh
trong vùng tử ngoại-khả kiến ( ) và chùm ánh sáng tán xạ thường được quan sát
theo phương vuông góc với chùm tia tới. Ánh sáng tán xạ bao gồm hai loại : một
được gọi là tán xạ Rayleigh, rất mạnh và có tần số giống với tần số chùm tia tới ); loại còn lại được gọi là tán xạ Raman, rất yếu (10-5 chùm tia tới) có tần số là (
, trong đó là tần số dao động phân tử. Vạch được gọi là vạch
Stockes và vạch gọi là vạch phản Stockes. Do đó, trong quang phổ Raman,
chúng ta đo tần số dao động ( ) như là sự dịch chuyển so với tần số chùm tia tới
( ) (hình 1.5). Khác với phổ hồng ngoại, phổ Raman được đo trong vùng tử ngoại-
khả kiến mà ở đó các vạch kích thích (laser) cũng như các vạch Raman cùng xuất
hiện.
Hình 1.5. Mô hình mô tả tán xạ Raman của phân tử CH4.
Theo lý thuyết cổ điển, tán xạ Raman có thể được giải thích như sau :
Cường độ điện trường E của sóng điện từ (chùm laser) dao động theo thời gian có
dạng:
16
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
Trong đó, là biên độ dao động và là tần số laser. Nếu một phân tử hai
nguyên tử được chiếu bởi ánh sang này thì một momen lưỡng cực điện sẽ xuất hiện
do cảm ứng có dạng sau :
Trong đó là hằng số tỷ lệ được gọi là hệ số phân cực. Nếu phân tử dao
động với tần số , thì sự dịch chuyển q của hạt nhân có dạng sau :
Trong đó là biên độ dao động. Với biên độ dao động nhỏ, là hàm tuyến
tính theo q. Do đó, chúng ta có thể viết :
Suy ra :
Theo lý thuyết cổ điển, số hạng thứ nhất mô tả một lưỡng cực dao động mà
nó bức xạ tần số (tán xạ Rayleigh); số hạng thứ hai là tương ứng với tán xạ
Raman với tần số (phản Stockes) và (Stockes).
Nếu bằng không thì sự dao động không thể tạo ra phổ Raman. Nói
chung, để có phổ Raman thì tỷ số này phải khác không.
17
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
1.4.3. Raman tăng cƣờng bề mặt trên các hạt nano kim loại và ứng dụng:
Raman tăng cường bề mặt
So với các quá trình tán xạ đàn hồi (năng lượng của photon không đổi) thì
xác suất xảy ra tán xạ Raman là rất nhỏ. Như vậy, để quan sát được vạch Raman, ta
phải tăng cường độ của vạch Raman và tách vạch Raman khỏi vạch chính.
Việc tách phổ có thể thực hiện khá đơn giản bằng một kính lọc, hay phức tạp hơn
một chút là phép biến đổi Fourier. Hệ biến đổi Fourier là một hệ phổ biến trong
ngành quang học và quang phổ, người ta dùng một hệ giao thoa kế Michealson với
một gương có thể dịch chuyển. Độ dịch chuyển của gương có thể điều khiển chính
xác nhờ hệ vân giao thoa của một laser có bước sóng cho trước. Dựa vào độ dịch
của gương, ta có thể có hàm Fourier của nguồn sáng cần nghiên cứu.
Để có được cường độ vạch Raman lớn, cách đơn giản nhất là chiếu chùm sáng
tới với cường độ lớn ví dụ như dùng Laser để chiếu, nhưng cách này cũng không
hiệu quả lắm. Hiện nay có 2 phương pháp cộng hưởng thường được áp dụng trong
tán xạ Raman để khuyếch đại vạch Raman lên.
Phương pháp đầu tiên được dùng là CARS, viết tắt của Coherent Antistokes
Raman Scattering. Nguyên tắc của phương pháp này là chiếu hai chùm sáng (laser)
có độ chênh lêch năng lượng và xung lượng đúng bằng năng lượng và xung lượng
của lượng tử dao động. Tương tác giữa hai chùm này sẽ làm số hạt lượng tử dao
động tăng lên nhiều, dẫn đến xác suất va chạm không đàn hồi tăng lên ( giống như
trường hợp phát xạ hấp thụ ánh sáng của nguyên tử, trong trường photon lớn thì xác
suất bức xạ hay hấp thụ tăng). Tuy nhiên hiệu quả của phương pháp này không cao.
Phương pháp thứ hai là SERS (viết tắt của Surface Enhanced Raman
Scattering) – Raman tăng cường bề mặt, tăng cường độ vạch Raman bằng plasmon
bề mặt (surface plasmon). Plasmon bề mặt là một dạng lượng tử của trường điện từ
trong môi trường plasma có hằng số điện môi âm, ví dụ như trong kim loại với tần
số sóng điện từ nhỏ hơn tần số plasma của electron trong kim loại. Khi sóng điện từ
truyền dọc bề mặt một tấm kim loại với tần số sóng nhỏ hơn tần số plasma của
18
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
electron trong kim loại, tương tác của sóng và plasma electron (một trạng thái mà
tất cả các electron chuyển động như một thể thống nhất) làm sóng điện từ có thể
thâm nhập vào môi trường (gần bề mặt) và định xứ ở đó. Dùng plasmon bề mặt có
thể tăng cường độ điện trường một cách cục bộ. Vì thế, khi đưa nguyên tử cần đo
phổ Raman vào khu vực điện trường cao đó, tương tác giữa nguyên tử và trường
điện từ sẽ mạnh hơn, dẫn đến phổ Raman có cường độ lớn hơn.
Ứng dụng của SERS:
Do đặc tính của hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt chỉ xảy ra trên bề
mặt các hạt nano [18, 19]. Và những liên kết càng gần bề mặt hạt nano sẽ cho các
đỉnh tán xạ đặc trưng của các liên kết đó. Ngoài ra, việc bọc thêm nhiều lớp vỏ trên
bề mặt của hạt nano cũng không làm thay đổi cường độ của các đỉnh tán xạ đặc
trưng. Vì vậy một trong những ứng dụng quan trọng của phương pháp tán xạ
Raman tăng cường bề mặt là có thể được dùng để đánh dấu chẳng hạn đánh dấu tế
bào ung thư vú, tế bào ung thư da [20, 21] và nhận biết các tế bào mang bệnh trong
y sinh [22, 23]. Cụ thể đối với nhận biết tế bào ung thư da (BCC), việc chức năng
hóa bề mặt hạt nano vàng bởi các phân tử 4-ATP được kiểm định bằng phổ tán xạ
Raman tăng cường bề mặt. Phổ tán xạ nhận được đã khẳng định các phân tử 4-ATP
đã được hấp thụ lên trên bề mặt của các hạt nano vàng và cho đỉnh phổ đặc trưng , đặc biệt là cho dao động dọc trục của liên kết S-C tại 1087 cm-1. Bên bên cạnh đó,
việc chức năng hóa các hạt nano vàng với các phân tử 4-ATP còn tạo cho các hạt
vàng có thêm hoạt tính sinh học cao vì đã được bao bọc bởi các nhóm chức amin (-
NH2), giúp chúng dễ dàng liên kết với các phân tử sinh học - ở đây là kháng thể đặc
hiệu Ber-EP4 nhận biết tế bào BCC. Sử dụng đỉnh phổ dặc trưng này ta có thể tạo
hình ảnh bề mặt mẫu bệnh phẩm bằng cách chụp các phổ SERS tại các bước sóng
đặc trưng và có thể nhận biết vị trí của tế bào ung thư da BCC hay chính là vị trí của
hạt nano vàng, nơi đỉnh phổ đặc trưng có cường độ cao.
Bên cạnh đó, phương pháp tán xạ Raman tăng cường bề mặt còn được ứng
dụng để nghiên cứu quá trình động học trên bề mặt hạt nano vàng. Một số nhóm
nghiên cứu trên thế giới đã sử dụng phương pháp tán xạ Raman tăng cường bề mặt
19
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
để làm sensor đo nồng độ Nitrite trong dung dịch thanh nano vàng được chức năng
hóa với 4-ATP.
Ngoài những ứng dụng kể trên, thì phương pháp này cũng được sử dụng để
kiểm tra lại cơ chế của các phản ứng đã biết, đồng thời nghiên cứu quá trình động
học của một phản ứng chưa biết. Thông thường, trong một phản ứng việc xác định
sự tồn tại của các liên kết và độ bền của các liên kết trong sản phẩm sau phản ứng là
rất quan trọng. Bằng phương pháp tán xạ Raman tăng cường bề mặt ta hoàn toàn có
thể chỉ ra sự tồn tại đồng thời của các chất ở trạng thái trung gian [24, 25] với sản
phẩm sau phản ứng. Đồng thời đưa ra đánh giá về hiệu suất phản ứng và kết luận về
sản phẩm sau phản ứng hoàn toàn phù hợp với các dự đoán ban đầu.
1.5. Hạt đa chức năng dạng lõi vỏ
`
Hạt nano Au-4ATP có cấu trúc lõi vỏ Hạt tiểu cầu có chứa nhiều nhân từ nhiều vật liệu khác nhau
Hạt nano lõi vỏ có thể có cấu trúc đa dạng, nhưng thông thường gồm có hai thành phần chính là lõi và vỏ có tính chất riêng. Hình dạng và các tính chất của lõi và vỏ, theo lý thuyết cho thấy có thể được điều chỉnh bằng cách khống chế các thành phần và các thông số chế tạo. Lớp vỏ có vai trò bảo vệ và nhằm khắc phục một số nhược điểm của phần lõi. Do đó chúng thường được chế tạo từ những vật liệu trơ hóa học, có độ ổn định cao, bề mặt có khả năng tương thích sinh học như các polimer, các chất vô cơ như SiO2.
Hình 1.6. Một số dạng hạt nano cấu trúc lõi vỏ
20
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
Hình 1.7. Các dạng hạt nano lõi – vỏ
Các dạng hạt nano dạng lõi vỏ được chỉ ra trong hình 1.7. Trong đó dạng lõi
vỏ hình cầu đồng tâm là loại phổ biến nhất (1.7a). Nếu lõi không phải hình cầu, thì
hạt nano lõi – vỏ thu được sẽ có hình dạng khác (1.7b). Nếu muốn tạo hạt đa lõi
trong 1 vỏ thì tiến hành phủ một lớp vỏ lên nhiều hạt lõi với nhau (1.7c). Hình 1.7d
cho thấy cấu trúc lõi – vỏ có 2 lớp cách điện được ngăn cách bằng một lớp kim loại
đồng tâm. Cấu trúc này được gọi là cấu trúc nano kim loại – điện môi, có tính chất
Plasmon quan trọng.
Các hạt nano lõi – vỏ ngày càng thu hút được sự quan tâm vì các hạt này nằm
giữa ranh giới của vật liệu hóa học và các lĩnh vực khác chẳng hạn như điện tử, y
sinh, dược phẩm, quang học và xúc tác. Hạt nano lõi – vỏ có nhiều tính chất mới lạ,
thậm chí khác hẳn so với vật liệu ban đầu. Đôi khi, các thuộc tính đó có nguồn gốc
từ sự khác biệt của vật liệu vỏ và lõi. Bên cạnh đó, chúng ta có thể thay đổi các tỷ lệ
vật liệu của lõi và vỏ để thay đổi các tính chất của chúng. Mục đích của việc phủ lên
hạt lõi tùy thuộc vào nhu cầu nghiên cứu chẳng hạn như thay đổi bề mặt, tăng
cường chức năng hạt, ổn định và phân tán hạt, giảm sự tiêu thụ các vật liệu quý …
Bên cạnh việc cải thiện tính chất vật liệu, vật liệu lõi vỏ cũng đóng vai trò
quan trọng về phương diện kinh tế. Ví dụ như có thể phủ một lớp vật liệu quý lên
vật liệu rẻ tiền để tiết kiệm chi phí so thay vì làm toàn bộ bằng vật liệu quý. [26]
Một số phương pháp tạo vỏ bọc hạt nano:
21
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
Phương pháp vi nhũ tương đảo:
Trái lại với hệ nhũ tương dầu trong nước hệ vi nhũ tương đảo là hệ nước
trong dầu.Các tiểu cầu ái nước chứa các hạt nano được hình thành trong môi trường
kị nước. Sau khi các tiểu cầu ái nươc phân bố đồng đều trong môi trường kị nước,
sử dụng tetraethoxysilane (TEOS) vào vi nhũ tương đảo nước trong dầu để phản
ứng với nước tạo thành lớp vỏ silica bọc bên ngoài các hạt nano bên trong.
Phản ứng tạo lớp vỏ silica:
Si(OCH3)4 + 2 H2O SiO2 + 4 CH3OH
Phương pháp nhiệt phân bụi hơi:
Bao bọc hạt nano bằng chất vô cơ, trong đa số trường hợp là silica có tác
dụng giống như việc bao bọc hạt nano bằng các chất hữu cơ. Quan trọng hơn là với
bề mặt silane thì hạt nano có thể dễ dàng phân tán trong các dung môi không phải là
nước và là bề mặt lí tưởng để có thể chức năng hóa bằng các liên kết cộng hóa
trị.Tuy nhiên việc liên kết mạnh này cũng gây khó khăn khi ta muốn loại bỏ liên
kết.Bề mặt silica cho phép các hạt nanô có thể phân tán bên trong lòng nó với một tỉ
trọng lớn. Ví dụ, người ta có thể chế tạo ra các hình cầu rỗng có đường kính 150 nm
tạo thành từ các hạt nanô và silica bằng phương pháp nhiệt phân bụi hơi một hỗn
hợp dung dịch methanolcó chứa ammonium citrate sắt và tetraethoxysilane (TEOS).
Hình dạng và nguyên lí hình thành các hình cầu rỗng được cho ở hình dưới đây.
Trong giai đoạn đầu, sự bay hơi nhanh chóng của hỗn hợp methanol làm gia tăng
kết tủa trên bề mặt, tức là hình thành các hình cầu rỗng. Khả năng hòa tan của iron
ammonium citrate sắt vào methanol thấp hơn của TEOS là cho kết tủa ban đầu chủ
yếu là muối sắt. Giai đoạn hai là giai đoạn hình cầu co lại và TEOS có mặt trên bề
mặt nhiều dần lên. Giai đoạn ba là giai đoạn phân hủy nhiệt để tạo lớp vỏ silica của
hình cầu rỗng có chứa hạt nano. Bằng phương pháp nhiệt phân bụi hơi hỗn hợp có
chứa sắt nitrate đậm đặc (1M) và TEOS sẽ tạo ra các tiểu cầu silica đường kính 250
nm có chứa hạt nano phân tán đều bên trong.
22
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
Việc chế tạo các hạt nano với cấu trúc lõi vỏ sẽ cần những đièu kiện đặc biệt
dẫn đến giá thành chế tạo cao, khó đưa vào ứng dụng sản xuất công nghiệp. Việc
tạo các cấu trúc lõi vỏ cũng có thể khiến một số đặc tính cần thiết của các lớp mất đi
làm hạn chế khả năng ứng dụng của chúng. Do đó nảy sinh nhu cầu của việc tổ hợp
một loại hạt nano đa chức năng bằng phương pháp đơn giản, rẻ tiền và có khả năng
tích hợp nhiều loại hạt nano với các tính chất khác nhau nhằm định hương ứng dụng
trong y sinh.
1.6 Mục tiêu
Mục tiêu của nghiên cứu là tổ hợp hạt nano đa chức năng có từ tính và có
tính chất quang ưang dụng trong tách lọc và đánh dấu trong y sinh. Mô hình của hạt
nano đa chức năng được thể hiện như hình 1.4. Các hạt nano đơn lẻ được bọc trong
một lớp vỏ sílica chung nhằm tạo tính tương thích sinh học và tăng độ bền cho hạt.
Chúng tôi đã sử dụng phương pháp đồng kết tủa để chế tạo ra hạt nano oxít
sắt từ có tính chất siêu thuận từ nhằm ứng dụng định hướng trong từ trường.Hạt
nano bạc lại được chế tạo bằng phương pháp hóa khử.Các hạt nano bạc sau khi chế
tạo được chức năng hóa bởi các phân tử 4-ATP (aminothiophenol) (có chứa các
nhóm chức amin -NH2) cho phổ SERS đặc trưng ứng dụng xuyên suốt quá trình
nhận biết.Các hạt nano oxít sắt từ và nano bạc sau khi chế tạo được tổ hợp lại với
nhau bởi lớp vỏ silica bằng phương pháp vi nhũ tương đảo.
Sau khi được chế tạo, các tính chất quang và tính chất từ của vật liệu nano đa
chức năng được nghiên cứu vói các tỉ lệ thành phần của các hạt đơn lẻ khác nhau.
Sơ đồ của hạt nano đa chức năng silica bọc (nano bạc và nano oxit sắt)
23
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
Hình 1.7. Mô tả cấu trúc hạt nano đa chức năng từ tính và phát quang
24
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM
2.1 Chế tạo hạt nano Ag bọc 4-aminothiphenol (4-ATP)
Hạt nano bạc bọc 4ATP được chế tọa bằng phương pháp hóa khử. 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 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 còn dư trong
quá trình phản ứng (Hình 2.1).
Hình 2.1 : Sơ đồ chế tạo hạt nano bạc
Cả hai dung dịch chứa các hạt nano Ag-4ATP vaFe3O4 đều được bọc cẩn thận bằng
giấy paraffin rồi cất với nơi thoáng mát, tránh ánh sáng mặt trời. Trước khi sử dụng
để chế tạo hạt nano đa chức năng, các dụng dịch được lấy là và chia thành các phần
nhỏ để dảm bảo không bị lẫn với nhau.
25
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
2.2 Chế tạo hạt nano Fe3O4
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 2.1).
Lọc rửa bằng cồn và nước cất nhiều lần thu được hạt nano ô xít Fe3O4 . Dung
dịch chứa các hạt nano ô xít sắt được giữ ở nhiệt độ phòng trong điều kiện thoáng
mát.
Hình 2.2 : Quy trình chế tạo hạt ô xít sắt từ Fe3O4
2.3 Chế tạo hạt nano đa chức năng bọc SiO2
Hạt nano đa chức năng SiO2 được bọc (Ag+Fe3O4) bằng phương pháp vi nhũ
tương đảo (Hình 2.3)
Phương pháp vi nhũ tương đảo được chia thành 2 quá trình chính. Quá 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 tôi 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. Cụ thể
như sau:
Bước 1
26
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
Cho dung dịch Fe3O4 nồngđộ 0.11M + dung dich Ag 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 không 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.
Hình 2.3: 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
Hình thái, cấu trúc
khô để tiến hành khảo sát các tính chất vật lý như :
Tính chất quang
Tính chất từ.
2.4 Nghiên cứu các tính chất vật lý:
2.4.1 Nghiên cứu cấu trúc tinh thể
27
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
Nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia Xnhiễu xạ trên các mặt tinh thể của chất rắn
do tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ [3]. Kỹ
cấu trúcchất rắn, vật liệu... Xét về bản chất vật lý, nhiễu xạ tia X cũng gần giống với
nhiễu xạ điện tử, sự khác nhau trong tính chất phổ nhiễu xạ là do sự khác nhau về
thuật nhiễu xạ tia X (thường viết gọn là nhiễu xạ tia X) được sử dụng để phân tích
tương tác giữa tia X với nguyên tử và sự tương tác giữa điện tử và nguyên tử.
Phương pháp nhiễu xạ tia X để nghiên cứu tinh thể đã được V.Laue sử dụng
từ năm 1912. Năm 1913, W. L. Bragg đưa ra phương trình Bragg làm cơ sở cho
phương pháp nhiễu xạ tia X. Nguyên tắc chung của phương pháp phân tích cấu trúc
tinh thể và thành phần pha bằng nhiễu xạ tia X dựa trên hiện tượng nhiễu xạ tia X
của mạng tinh thể khi thỏa mãn định luật Bragg : 2d.sinθ = nλ ( trong đó: d là
khoảng cách giữa các mặt nguyên tử phản xạ, θ là góc phản xạ, λ là bước sóng tia X
và n là số bậc phản xạ). Sơ đồ nguyên lý của phép đo nhiễu xạ tia X sử dụng
phương pháp bột (phương pháp Debye-Scherrer) được thể hiện trên hình 13
Hình 2.4. Nguyên lý nhiễu xạ và mô hình máy đo phổ
nhiễu xạ tia X (XRD) [3]
Tia X từ ống phóng tia đi tới mẫu với góc tới θ, tia nhiễu xạ đi ra khỏi mẫu
sẽ tới đầu thu bức xạ (detector) cũng đặt ở góc θ. Tập hợp các cực đại nhiễu xạ thỏa
mãn định luật Bragg dưới các góc 2θ khác nhau cho ta phổ nhiễu xạ tia X.
Trên số mạng của mẫu. Sau khi có được số liệu từ phổ tia X, ta tìm một phổ
chuẩn đồng nhất về cấu trúc phổ với mẫu vừa chế tạo. Dựa vào phổ chuẩn ta có thể
xác định được cấu trúc và hằng số mạng của mẫu. Để xác định được hằng số mạng
28
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
từ phổ đo đượccơ sở đó, chúng tôi phân tích định tính các đặc trưng về cấu trúc tinh
thể, hằng, ta xác định khoảng cách giữa các mặt mạng đặc trưng của mẫu chế tạo
được xác định từ kết quả ảnh nhiễu xạ tia X. Từ đó, dựa vào mối liên kết giữa các
thông số d, (hkl), (a, b, c) trong loại tinh thể đặc trưng ta có thể tính được hằng số
mạng a, b, c của mẫu chế tạo.
Hình 2.5. Máy nhiễu xạ tia X tại Trung tâm Khoa học
Vật liệu, Khoa Vật lý, Đại học Khoa học Tự Nhiên
Giản đồ tia X được ghi trên máy D5005 của hãng Siemens tại Trung tâm
Khoa học Vật liệu, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học tự nhiên.Chế độ làm việc
của ống tia X là: điện thế 35mV; sử dụng bức xạ Cu-Kα1 có bước sóng là 1,54056Å, được đo tại nhiệt độ phòng 25○C.
Chế độ đo : θ/2θ -
Mô tơ đo với bước đo: 0.03○ -
29
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
- Thời gian dừng ở mỗi bước là: 1s
Chuẩn bị mẫu:
Mẫu dạng dung dịch, được lấy ra bằng Pipet nhỏ từng giọt một lên lamen, để
ở máy khuấy từ gia nhiệt ở nấc 1. Đợi đến khi nước bay hơi hết lại tiếp tục nhỏ tiếp
vào, cứ làm như thế đến khi thấy mẫu đủ dày. Sau đó mang đi chụp nhiễu xạ tia X.
2.4.2 Nghiên cứu hình thái học bằng kính hiển vi điện tử truyền qua TEM
(Tranmission electron microscope):
Để thêm cách nhìn toàn diện về hình thái và cấu trúc của vật liệu được tạo thành.
Bên cạnh phổ X-ray cho ta kết quả về cấu trúc tinh thể, ảnh hiển vi điện tử truyền
qua TEM cho kết quả khá rõ về hình thái của vật liệu.
Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc
vật rắn, sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng
và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu
lần), ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận
bằng các máy chụp kỹ thuật số.
Ảnh TEM được tạo theo các cơ chế quang học, nhưng tính chất ảnh tùy
thuộc vào từng chế độ ghi ảnh. Điểm khác cơ bản của ảnh TEM so với ảnh quang
học là độ tương phản khác so với ảnh trong kính hiển vi quang học và các loại kính
hiển vi khác. Nếu như ảnh trong kính hiển vi quang học có độ tương phản chủ yếu
đem lại do hiệu ứng hấp thụ ánh sáng thì độ tương phản của ảnh TEM lại chủ yếu
xuất phát từ khả năng tán xạ điện tử.
Trong TEM, điện tử được sử dụng thay cho ánh sáng (trong kính hiển vi
quang học). Điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử.Sau khi thoát ra khỏi catốt,
điện tử di truyển đến anốt rỗng và được tăng tốc dưới thế tăng tốc V (một thông số
quan trọng của TEM). Lúc đó, điện tử sẽ thu được một động năng:
Và xung lượng p sẽ được cho bởi công thức:
30
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
Như vậy, bước sóng của điện tử quan hệ với thế tăng tốc V theo công thức:
Hình 2.6. Sơ đồ cơ chế tạo ảnh TEM bởi chùm tia điện tử.
Với thế tăng tốc V = 100 kV, ta có bước sóng điện tử là 0,00386 nm. Nhưng
với thế tăng tốc cỡ 200 kV trở nên, vận tốc của điện tử trở nên đáng kể so với vận
tốc ánh sáng, và khối lượng của điện tử thay đổi đáng kể, do đó phải tính theo công
thức tổng quát (có hiệu ứng tương đối tính):
31
Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung
Xét trên nguyên lý, ảnh của TEM vẫn được tạo theo các cơ chế quang học,
nhưng tính chất ảnh tùy thuộc vào từng chế độ ghi ảnh. Điểm khác cơ bản của ảnh
TEM so với ảnh quang học là độ tương phản khác so với ảnh trong kính hiển vi
quang học và các loại kính hiển vi khác. Nếu như ảnh trong kính hiển vi quang học
có độ tương phản chủ yếu đem lại do hiệu ứng hấp thụ ánh sáng thì độ tương phản
của ảnh TEM lại chủ yếu xuất phát từ khả năng tán xạ điện tử.
2.4.3 Phổ hấp thụ quang học (UV-Vis)
Phép đo hấp thụ quang học dựa trên cơ sở định Luật Beer-Lambert. Nội dug
định luật như sau: Sóng điện từ cường độ I0 tới một cuvette dày l đựng chất lỏng
nồng độ C. Sau khi đi ra khỏi cuvette sóng điện từ có cường độ I1. Mối liên hệ giữa
I1 vàI0 được mô tả bởi phương trình :
Trong đó ε là độ hấp thụ mol. Phương pháp đo UV-Vis cho phép ta ghi phổ
và đọc được các giá trị hấp thụ tại bước sóng bất kỳ. Ưu điểm của phương pháp này
là phân tích các đơn chất đơn giản, nhanh chóng, có độ nhạy cao.
Trong phép đo này, một chùm sáng được phát ra từ nguồn sáng, ví dụ là đèn
phát sáng trong vùng UV hoặc phát sáng trong vùng nhìn thấy (Vis), được đưa qua
hệ máy đơn sắc sẽ được tách ra thành cách bước sóng đơn sắc. Mỗi tia sáng này sẽ
chia thành hai tia sáng để so sánh, có cường độ như nhau nhờ một gương phản xạ
bán phần. Một trong hai tia sáng trên truyền qua một cuvette bằng thạch anh, chứa
dung dịch cần nghiên cứu, cường độ của tia sáng sau khi truyền qua mẫu làI1. Tia
còn lại (tia so sánh) sau khi truyền qua một cuvette tương tự chỉ chứa dung môi
(nước cất) sẽ có cường độ I0. Cường độ của các tia sáng sau đó được các detector
ghi lại và so sánh trực tiếp trong cùng điều kiện cần đo. Nếu mẫu không hấp thụ ánh
sáng đã cho thì I1= I0. Tuy nhiên, nếu hấp thụ ánh sáng thì I1 vẽ dưới dạng phổ truyền qua T(ν) =I1(ν)/I0(ν) hoặc phổ hấp thụ A(ν) = log10[I1(ν)/ I0(ν)]. Các mẫu tạo được đã được đo bằng máy UV-2450PC tại Trung tâm Khoa học Vật liệu – khoa Vật lý – trường Đại học Khoa học Tự nhiên. 32 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung 2.4.4 SERS – Tán xạ Raman tăng cƣờng bề mặt Trong ứng dụng nhận biết phổ đặc trưng của các hạt nano bạc đã chức năng hóa với nhóm amin. Dưới tác dụng của chùm laser có bước sóng 875 nm, chất hấp thụ (4-ATP) trên bề mặt hạt nano bạc dao động cộng hưởng làm cho tán xạ Raman
có cường độ tăng từ 105 đến 106 lần. Tín hiệu này dùng để nhận biết sự có mặt của hạt nano Ag 4-ATP. Các mẫu đo Raman đều được đặt trên các phiến larmen kính có kích thước 3 cm × 3 cm. Dung dịch ướt được để cho đến khô có dạng keo trước khi đặt vào không gian để mẫu. Chùm laser tới có bước sóng 875 nm thông qua hệ thống phản xạ và hệ thấu kính đồng tụ được hội tụ trên bề mặt của mẫu. Điểm hội tụ của laser có kích thước tới hạn là 1 μm × 1 μm và có thể thay đổi công suất thông qua chương trình điều khiển, và kính lọc cường độ. Mẫu tiếp nhận chùm laser tới tán xạ Raman, thông qua hệ thống tạo song song M (monochromator) để có tín hiệu phát xạ song song hướng tới hệ thống đo SP (Hình 16). Hệ thống đo sau khi hội tụ chùm tia tán xạ bởi thấu kính CL, thông qua hệ thống gương phản xạ (grid) để đưa ra phân bố phổ và đưa tín hiệu tới một CCD camera. Từ phân bố phổ này, cùng với tính toán đối xứng dịch vùng, chương trình cài đặt sẵn sẽ đưa ra kết quả phổ Raman của mẫu. Tán xạ Raman tăng cường bề mặt cũng được đo trên hệ này. Hình 2.7. Mô tả hoạt động của máy đo SERS. 33 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung 2.4.5 Khảo sát tính chất từ bằng hệ VMS-PPMS Các đường cong tính chất từ của các mẫu đã được đo bằng thiết bị từ kế mẫu rung VSM (Vibrating Sample Magnetometer) trong hệ PPMS (Physical Properties Measurement System) với từ trường cực đại là 9T tại TTKHVL. Thiết bị từ kế mẫu
rung VSM là một thiết bị dùng để xác định mô men từ của mẫu. Nguyên lý hoạt
động của thiết bị này dựa trên cơ sở hiện tượng cảm ứng điện từ. Bằng cách thay
đổi vị trí tương đối của mẫu có mô men từ M với cuộn dây thu, từ thông qua tiết diện ngang của cuộn dây sẽ thay đổi theo thời gian làm xuất hiện trong nó một suất điện động cảm ứng. Các tín hiệu đo được (tỷ lệ với M) sẽ được chuyển sang giá trị của đại lượng từ cần đo bằng một hệ số chuẩn của hệ đo. Để thực hiện được phép đo này, mẫu được rung với tần số xác định trong vùng từ trường đồng nhất của một nam siêu dẫn. Từ trường này sẽ từ hoá mẫu và khi mẫu rung sẽ tạo ra hiệu điện thế cảm ứng trên cuộn dây thu tín hiệu. Tín hiệu được thu nhận, khuếch đại rồi được xử lý trên máy tính và cho ta biết giá trị từ độ của mẫu. 34 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung 1. Hạt nano ô xít sắt từ (Fe3O4) 1.1. Hình thái và cấu trúc 1.1.1. Cấu trúc 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 3.1 thể hiện phổ nhiễu xạ tia X của mẫu thu được. 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: (220), (311), (400), (422), (511). Kết quả nhiễu xạ tia X cho thấy hạt nano Fe3O4 đã được tổng hợp [25]. Dựa vào công thức Brag: Trong đó d, θ,λ lần lượt là khoảng cách giữa các mặt tinh thể có quan hệ với hằng số mạng tùy thuộc vào từng loại tinh thể, góc nhiễu xạ và bước sóng của tia X. Bước sóng của tia phụ thuộc vào cathode được sử dụng trong máy. Ở đây cathode được sử dụng là đồng (Cu) nên bước sóng của tia X là λ = 1,54056 Ǻ. 35 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung Với mạng lập phương tâm mặt ta có các mặt nhiễu xạ đọc được có các chỉ số Miller (h,k,l) lần lượt là :(220), (311), (400), (422), (511). Các chỉ số này tỉ lệ với khoảng cách các mặt tinh thể theo công thức sau: Vẽ đồ thị sự phụ thuộc của khoảng cách d tính được từ phổ nhiễu xạ tia X theo nghịch đảo của căn tổng bình phương các chỉ số Miller ứng với mặt đó ta được một đường thẳng và hệ số góc chính bằng hằng số mạng. Bảng 3.1.Tổng hợp các khoảng cách d tính được ứng với các mặt nhiễu xạ đọc được trên phổ nhiễu xạ tia X: STT Chỉ số Miller 2θ d (Ǻ) 1
2
3
4
5 220
311
400
422
511 30,2
35,3
43,2
53,8
57,2 2,957
2,540
2,092
1,619
1,483 0,353
0,301
0,250
0,204
0,192 Mẫu hạt Fe3O4 có cấu trúc lập phương tâm mặt xếp chặt thuộc nhóm không gian F3dm và có hằng số mạng a = 8.442 Å với sai số là 2,8%, khớp với các giá trị công bố trước đó của các nhóm R.Y. Hong và nhóm M.Abu Bakar. 36 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung Kích thước hạt trung bình được tính từ đỉnh nhiễu xạ (311) tại 2θ cỡ 36° trong phổ nhiễu xạ tia X sử dụng công thức Scherrer: Với D là đường kính hạt trung bình, λ là bước sóng tia X tới (λ = 1,54056 Ǻ), B là độ độ rộng phổ, θ là vị trí đỉnh nhiễu xạ. Từ đó tính được kích thước hạt trung bình là D=14,2 nm. 1.1.2. Hình thái 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. 37 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung Hình 3.3. mô 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 toán từ kết quả nhiễu xạ tia X. 1.2. Tính chất từ nano ô xít sắt làm bằng phương pháp đồng kết tủa. Đường cong từ hóa như trong hình 3.4 cho thấy ở kích thước 12-13 nm, các hạt nano ô 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 ngoài. Bên cạnh đó, các hạt không hút nhau và không kết đám sau khi tắt từ trường ngoài. Với tính chất này, các hạt từ có thể được ứng dụng rất linh hoạt trong tách chiết y sinh. 2. Hạt nano Bạc bọc 4-ATP (Ag-4ATP) 2.1. Hình thái và cấu trúc 2.1.1. Cấu trúc 38 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung Phổ X-ray của mẫu dung dịch nano bạc đã điều chế bằng phương pháp hóa khử được trình bày trong hình 3.5. Phổ X-ray của hạt nano bạc cho thấy hạt nano bạc có cấu trúc lập phương tâm mặt do sự xuất hiện của ba đỉnh tại vị trí góc 2θ là
38.11o, 44.29o và 64.41o tương ứng với các mặt tinh thể là (111), (200), (220). Từ độ bán rộng (FWHM) của đỉnh (111), ta tính được hạt có kích thước khoảng 23 ± 2nm theo công thức Debye- Scherer. Kích thước hạt có thể thay đổi bằng cách thay đổi nồng độ chất hoạt hóa bề mặt tham gia vào trong quá trình chế tạo, cụ thể ở đây là nồng độ PVP. Nồng độ PVP tăng làm giảm khả năng tiếp xúc với nhau của các phân tử bạc ngay sau khi bị khử, vì vậy kích thước của các hạt hình thành nhỏ hơn. Bên cạnh đó, vì PVP không có cấu trúc ưu tiên theo bất kì một phương nào nên các hạt nano bạc có dạng gần cầu trong dung dịch (Hình 3.6.) 2.1.2. Hình thái Hình thái hạt nano bạc được khảo sát thông qua khảo sát ảnh TEM. Khi nồng độ PVP được giữ không đổi tại 50 g/l, kích thước của các hạt Bạc phân bố từ 20 đến 25 nm khá trùng với kết quả tính toán từ phép đo nhiễu xạ tia X. Từ ảnh TEM có 39 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung thể thấy mỗi một hạt nano Ag được hình thành trong dung dịch đều ở dạng gần cầu. Trong các hạt này có thể thấy các đường biên mờ xuất hiện do hiện tương già hóa khi các hạt nano nhỏ hơn kết lại với nhau theo các mặt do CHHBM quyết định. Hiện tượng này đã được quan sát trên các hạt nano vàng bọc CTAB sau khi để già hóa. 2.2. Tính chất quang 2.2.1 Phổ hấp thụ UV-VIS Tại tần số Plasmon, các hạt nano Ag sẽ hấp thụ ánh sáng tốt hơn và tạo thành đỉnh hấp thụ. Khi kích thước các hạt nano tăng dần từ 20 nm đến 80 nm, đỉnh hấp thụ của dung dịch chứa hạt dịch dần về phía bước sóng lớn. 40 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung Hình 3.8. Phổ hấp thụ của Ag-4ATP với các nồng độ pha loãng khác
nhau Theo định luật Lambert – Beer, cường độ hấp thụ ánh sáng của một vật chất phụ thuộc vào nồng độ và độ dày lớp hấp thụ theo công thức sau: Trong đó Abs, I0, I, C và l lần lượt là độ hấp thụ, cường độ chum sáng tới, chùm sáng chuyền qua, nồng độ và độ dày của lớp vật liệu hấp thụ.. Phổ hấp thụ trên hình 3.8 cho thấy sau khi được bọc với 4-ATP, đỉnh hấp thụ đặc trưng của hạt nano bạc vẫn được giữu nguyên. Bên cạnh đó, ta có thể sử dụng phổ hấp thụ UV-vis để xác định nồng độ của dung dịch. Hình 3.9. biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ dung dịch chứa các hạt nano Ag vào cường độ hấp thụ và được cụ thể hóa như trong Bảng 3.2. 41 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung Bảng 3.2. Cường độ hấp thụ tại đỉnh cộng hưởng Plasmon của hạt nano Bạc ứng với các nồng độ khác nhau. STT 1
2
3
4
5 Nồng độ
(ppm)
1000
2000
3000
4000
5000 Độ hấp thụ
(đ.v.h.t)
16,79
38.17
59.55
50.93
102.31 2.2.1. Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt 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, 42 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung 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. Ag-4ATP Hình 3.10 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 toán 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 3.3). 43 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung Bảng 3.3. Bảng tổng hợp các mode dao động ứng với các đỉnh tán xạ Raman của phân tử 4-ATP Modeling Kết quả đã Dao động Modeling Ag-4ATP results công bố đặc trưng figures 1602 cm-1 1629 cm-1 - γ CH 1589 cm-1 γ NH 1549 cm-1 - - - - 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 44 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung 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 thông 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 còn tồn tại sau khi đã được bọc bởi lớp SiO2. Ngoài 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. 45 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung 3. Hạt đa chức năng 3.1 Hình thái học Phần này chúng tôi đi sâu vào kiểm tra các tính chất từ và quang của các hạt nano đa chức năng (Hình 3.11) 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 như hình 3.11. 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 còn có thể được dùng như những tác nhân đánh dấu và được ứng dụng trong chụp ảnh y sinh. tạo bằng phương pháp vi nhũ tương đảo. 46 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung sắt từ Fe3O4 (B) và một hạt nano đa chức năng (C). Hình 3.12 là kết quả thực tế nhận được từ phương pháp vi nhũ tương đảo. Hình 3.12A 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 47 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 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 không 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. Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung 3.1. Tính chất từ Hình 3.13. 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 toán tương đối tỉ phần khối lượng của các hạt Fe3O4 trong cấu trúc vi nhũ tương đảo của các hạt đa chức năng (Bảng 3.4). 48 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung Bảng 3.4. So sánh kết quả đo từ tính của các hạt đa chức năng với các tỉ lệ Fe3O4/Ag khác nhau Nồngđộ
(ppm) Từ độ bão
hòa (emu/g) Tỉ lệ tương đối theo
khối lượng Ag/Fe3O4
(tính toán lí thuyết) 1/3
1/2 Tỉ lệ tương đối
theo thể tích
Ag/Fe3O4 (thực
nghiệm)
9/2
13.5/2 113
133 50.5
42.8 Tỉ phần khối
lượng của
các hạt
Fe3O4
83.3 %
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 ngoài (Loạt hình 3.14). 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. 49 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung hướng theo từ trường của các hạt nano đa chức năng. 3.2. Tính chất quang 3.2.1. Phổ hấp thụ UV-VIS Phổ hấp thụ quang học được sử dụng để kiểm tra sự có mặt của các hạt nano kim loại (Ag-4ATP) trong dung dịch chứa các hạt nano đa chức năng. Mặc dù đã bị bao lại bởi một lớp SiO2 nhưng hiệu ứng công hưởng Plasmon bề mặt vẫn còn tồn tại. 50 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung Hình 3.15 cho thấy công hưởng Plasmon bề mặt bị giảm do lớp bọc bên ngoài có hằng số điện môi khác đi so với nước, đồng thời cũng khác đi do sự góp mặt của các hạt siêu thuận từ có từ độ bão hòa khá cao. Phổ UV-VIS cho thấy với sự góp mặt của các hạt nano kim loại chúng ta vẫn có thể sử dụng một số tính chất quang của vật liệu đa chức năng vào trong đánh dấu y sinh. Một trong những tính chất đó là tán xạ Raman tăng cường bề mặt như trong phần sau sẽ trình bày. 3.2.1. Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt 51 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung mặt của các hạt nano đa chức năng Hình 3.16 cho kết quả đo tán xạ Raman của các hạt đa chức năng.Có thể thấy một sô đỉnh đặc trưng vẫn còn rất rõ ràng. 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 song nhất định. Các đỉnh thấy không 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. 52 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung IV. KẾT LUẬN Trong báo cáo này, chúng tôi đã trình bày một phương pháp đơn giản, hiểu suất khá cao để chế tạo ra các hạt nano đa chức năng mang tính chất của các hạt từ ô xít sắt và tính chất quang của các hạt nano kim loại. Từ tính của các hạt nano đa chức năng không bị giảm nhiều so với các hạt từ Fe3O4 và có thể điều khiển được thông qua tỉ lệ thể tích ban đầu giữa hai loại hạt Ag-4ATP và Fe3O4 tròn quá trình chế tạo. Từ tính này vẫn đảm bảo khả năng định hướng trong từ trường rất tốt của các hạt nano đa chức năng. Chính khả năng định hướng này giúp cho các hạt đa chức năng có thể sử dụng trong tách chiết bằng từ trường, thậm có thể ứng dụng trong tải thuốc (drug delivery). Tính chất quang của vật liệu được khảo sát thông qua phép đo tán xạ Raman. Lớp 4-ATP trên bề mặt các hạt nano kim loại không bị mất đi, và trở thành chìa khóa cho tính đặc hiệu của các hạt nano đa chức năng. Một số đỉnh tán xạ Raman
đặc trưng tại các vị trí 1076 cm-1, 1145 cm-1, 1442 cm-1 và tại 1579 cm-1 cho thấy sự có mặt của các phân tử hữu cơ này. Bên cạnh đó, chính những đỉnh tán xạ này lại trở thành các tín hiệu riêng biệt để nhận biết được vị trí của các hạt vật liệu và trở thành tác nhân tạo ảnh trong đánh dấu sinh học. Kết quả này đặt nền móng quan trọng cho một phương pháp chế tạo hạt nano đa chức năng rẻ tiền, đa dạng linh hoạt, dễ dàng ứng dụng. Trong định hướng tiếp theo chúng tôi dự định sẽ hoàn thiện quy trình chế tạo để hạt có dạng cầu đẹp hơn và tiếp theo là thử nghiệm kết hợp các loại hạt nano khác nhau vào tổ hợp hạt nano đa chức năng. 53 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bonnemann, H. and Brijoux, W., Advanced Catalysts and Nanostructured Materials, Academic Press, 1996, p. 165. 2. Bradley, J. S., Hill, E. W., Klein, C., Chaudret, B. and Duteil, A., Synthesis of monodispersed bimetallic palladium–copper nanoscale colloids. Chem. Mater., 1993, 5, 254–256. 3. Burda, C., Chen, X., Narayanan, R. and El-Sayed, M. A., Chemistry and properties of nanocrystals of different shapes. Chem.Rev., 2005, 105, 1025– 1102. 4. Caruso, F., Spasova, M., Salgueiriño-Maceira, V. and Liz-Marzán, L. M., Multilayer assemblies of silica-encapsulated gold nanoparticles on decomposable colloid templates. Adv. Mater., 2001, 13, 1090–1094. 5. Caruso, F., Caruso, R. A. and Möhwald, H., Production of hollow microspheres from nanostructured composite particles. Chem.Mater., 1999, 11, 3309–3314. 6. Chen, G. C., Kuo, C. Y. and Lu, S. Y., A general process for preparation of core shell particles of complete and smooth shells. J. Am. Ceram. Soc., 2005, 88, 277–283. 7. El-Sayed, M. A., Small is different: Shape-, size- and composition- dependent properties of some colloidal semiconductor nanocrystals. Acc. Chem. Res., 2004, 37, 326–333. 8. Enüstün, B. V. and Turkevich, J., Coagulation of colloidal gold. J. Am. Chem. Soc., 1963, 85, 3317–3328. 9. Huang, H., Remsen, E. E., Kowalewski, T. and Wooley, K. L., Nanocages derived from shell cross-linked micelle templates. J.Am. Chem. Soc., 1999, 121, 3805–3806 10. Imhof, A., Preparation and characterization of titania-coated polystyrene spheres and hollow titania shells. Langmuir, 2001, 17, 3579–3585. 11. Kulkarni, S. K., Doped II–VI semiconductor nanoparticles. Encycl. Nanosci. Nanostruct. Mater., 2004, 2, 527–564. 54 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung 12. Kundu, M., Khosravi, A. A., Singh, Prabhat and Kulkarni, S. K., Synthesis and study of organically capped ultra small clusters of cadmium sulfide. J. Mater. Sci., 1997, 32, 245–248. 13. Li, T., Moon, J., Morrone, A. A., Mecholsky, J. J., Talhman, D. R. and Adair, J. H., Preparation of Ag/SiO2 nanosize composites by a reverse micelle and solgel technique. Langmuir, 1999, 15, 4328–4334. 14. Lin, J., Zhou, W., Kumbhar, A., Wiemann, J., Fang, J., Carpenter, E. E. and O’Connor, C. J., Gold-coated iron (Fe@Au) nanoparticles: Synthesis, characterization, and magnetic fieldinduced self-assembly. J. Solid State Chem., 2001, 159, 26–31. 15. Massart R and Cabuil V 1987 J. Chem. Phys. 84 967. 16. Murphy, C. J., Sau, T., Gole, A. and Orendorff, C., Surfactantdirected synthesis and optical properties of one-dimensional plasmonic metallic nanostructures. MRS Bull., 2005, 30, 349–355. 17. Ocana, M., Hsu, W. P. and Matijevic, E., Preparation and properties of uniformcoated colloidal particles. 6. Titania on zinc oxide. Langmuir, 1991, 7, 2911–2916 18. Okaniwa, M., Synthesis of poly (tetrafluoroethylene)/poly (butadiene) coreshell particles and their graft copolymerization. J.Appl. Polym. Sci., 1998, 68, 185– 190. 19. Pastoriza-Santos, I. and Liz Marzan, L. M., Formation and stabilization of silver nanoparticles through reduction by N,N-dimethylformamide. Langmuir, 1999, 15, 948–951. 20. Rajib Ghosh Chaudhuri and Santanu Paria, Core/Shell Nanoparticles: Classes, Properties, Synthesis Mechanisms, Characterization, and Applications, Chem. Rev. 2012, 112, 2373–2433. 21. See, K. H., Mullins, M. E., Mills, O. P. and Heiden, P. A., A reactive core-shell nanoparticle approach to prepare hybrid nanocomposites: Effects of processing variables. Nanotechnology, 2005, 16, 1950–1959. 22. Shinoda, K., Microemulsions: Colloidal aspects. Adv. Colloid Interface Sci., 1975, 4, 281. 55 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung 23. Steigerwald, M. L. and Brus, L. E., Synthesis, stabilization and electronic structure of quantum semiconductor nanoclusters. Ann. Rev. Mater. Sci., 1989, 19, 471–495. 24. Sugimoto T and Matijevic E 1980 J. Colloid Interface Sci. 74 227. 25. Xia, Y. and Halas, N. J., Shape controlled synthesis and surface plasmonic properties of metallic nanostrures. MRS Bull., 2005, 30, 338–343 26. Y. Jin, C. Jia, S-W. Huang, M. O’Donnell and X. Gao, Multifunctional nanoparticles as coupled contrast agents, Nat. Com., 2010, 1, 1042. 27. http://datrach.blogspot.com/2005/10/ch-to-v-ng-dng-ht-nan-t-tnh-trong- sinh.html 56Hình 2.8. Hệ đo PPMS
III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của Fe3O4
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn tính toán hằng số mạng theo công thức Brag
Hình 3.3. Ảnh kính hiển vi điện tử truyền
qua của mẫu Fe3O4
Hình 3.4. Đường cong từ hóa của mẫu hạt
Hình 3.5. Phổ X-ray của mẫu nano bạc được chế tạo bằng phương
pháp khử.
Hình 3.6. Ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua của các
hạt nano Bạc chế tạo bằng phương pháp hóa khử
Hình 3.9.Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc độ hấp thụ của Ag-4ATP vào nồng độ
Hình 3.10. Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt của dung dịch chứa các hạt
Hình 3.11. Giản đồ mô phỏng cấu trúc của các hạt đa chức năng được chế
Hình 3.12. Anh chụp kính hiển vi điện tử truyền qua của các hạt nano Bạc (A), các hạt nano
Hình 3.13: 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
Hình 3.14. Hình miêu tả khả năng định
Hình 3.15: phổ hấp thụ quang học của hạt nano bạc và hạt nano đachức
năng (Fe3O4 +Ag)/SiO2
Hình 3.16. Phổ tán xạ Raman tăng cường bề
