Luận án Tiến sĩ Vật lý chất rắn: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và dạng lõi/vỏ silica/vàng định hướng ứng dụng trong y sinh

Chia sẻ: Lê Thị Hồng Nhung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:175

Thêm vào BST

Báo xấu

63
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu chế tạo và khảo sát tinh chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và cấu trúc lõi/vỏ với các kích thước điều khiển được. Thử nghiệm ứng dụng của vật liệu đã chế tạo trong hiện ảnh tế bào và trong hiệu ứng chuyển đổi quang nhiệt. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý chất rắn: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và dạng lõi/vỏ silica/vàng định hướng ứng dụng trong y sinh

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN VẬT LÝ ĐỖ THỊ HUẾ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CẤU TRÚC NANO VÀNG DẠNG CẦU, DẠNG THANH VÀ DẠNG LÕI/VỎ SILICA/VÀNG ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2018 1
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN VẬT LÝ ĐỖ THỊ HUẾ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CẤU TRÚC NANO VÀNG DẠNG CẦU, DẠNG THANH VÀ DẠNG LÕI/VỎ SILICA/VÀNG ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số chuyên ngành: 944 01 04 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS. Nghiêm Thị Hà Liên 2. PGS.TS. Trần Hồng Nhung Hà Nội – 2018 i
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu chế tạo, tính chất quang của các hạt nanô vàng và cấu trúc nanô lõi /vỏ silica/vàng ứng dụng trong hiện ảnh tế bào” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và tài liệu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Nghiên cứu sinh Đỗ Thị Huế ii
LỜI CẢM ƠN Luận án này đã được hoàn thành tại phòng thí nghiệm của nhóm NanoBioPhotonics của Viện Vật lý thuộc viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn của TS.Nghiêm Thị Hà Liên và PGS.TS. Trần Hồng Nhung. Để có thể hoàn thành đƣợc luận án này, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng, và lòng biết ơn chân thành, sâu sắc tới TS.Nghiêm Thị Hà Liên và PGS. TS. Trần Hồng Nhung, những ngƣời thầy luôn tận tụy hết lòng hƣớng dẫn tôi, tạo mọi điều kiện giúp đỡ trong thời gian tôi học tập và nghiên cứu ở Viện Vật Lý. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS Vũ Dƣơng, PGS. TS Đỗ Quang Hòa, TS. Nguyễn Trọng Nghĩa cùng các anh chị em thuộc nhóm NanoBioPhotonics và thuộc trung tâm Điện tử Lƣợng tử - Viện Vật Lý đã giúp đỡ và cho tôi những ý kiến quý báu cũng nhƣ hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình làm thực nghiệm để hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn tới PGS. TS Chu Việt Hà, ngƣời luôn bên tôi, giúp đỡ và cho tôi những lời khuyên quý báu để tôi vững bƣớc trong suốt giai đoạn học tập của mình. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể lãnh đạo Khoa Vật Lý, cùng các thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè, những ngƣời đã luôn quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi để tôi có thời gian hoàn thành luận án. Cuối cùng con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới bố mẹ hai bên, tới gia đình nhỏ ở đó có chồng và con gái con, những ngƣời vẫn luôn bên con, thay con gánh vác việc gia đình, tạo cho con động lực và niềm tin để con có đƣợc ngày hôm nay. Xin trân trọng cảm ơn tất cả! Hà Nội, tháng 01 năm 2018 iii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii MỤC LỤC ................................................................................................................. iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN.................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...............................................................................x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................ xii MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ VÀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN .............9 1.1. Tính chất quang của các hạt nano kim loại ..........................................................9 1.1.1. Hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt (Surface plasmon resonance - SPR) ..........................................................................................................................10 1.1.2. Lý thuyết Mie – sự phụ thuộc của tính chất quang vào kích thƣớc hạt ..........11 1.1.3. Đặc trƣng quang học của các cấu trúc nano vàng ...........................................16 1.1.3.1. Hạt nano vàng dạng cầu ...............................................................................17 1.1.3.2. Thanh nano vàng – Lý thuyết Gans .............................................................19 1.1.3.3. Hạt nano cấu trúc lõi /vỏ silica/vàng (SiO2/Au) ..........................................23 1.2. Các phƣơng pháp chế tạo cấu trúc nano vàng....................................................27 1.2.1. Phƣơng pháp nuôi mầm ..................................................................................28 1.2.1.1. Cơ chế hình thành và phát triển hạt nano vàng bằng phƣơng pháp nuôi mầm......29 1.2.1.2. Cơ chế ổn định keo của các hạt trong dung dịch .........................................31 1.2.2. Các phƣơng pháp chế tạo hạt nano vàng dạng cầu .........................................34 1.2.3. Các phƣơng pháp chế tạo hạt nano cấu trúc lõi/vỏ - SiO2/Au ........................37 1.2.4. Chế tạo thanh nano vàng .................................................................................39 1.3.1. Đánh dấu và hiện ảnh sinh học .......................................................................43 1.3.2. Ứng dụng hiệu ứng quang nhiệt ......................................................................45 1.4. Các phƣơng pháp đo đạc ....................................................................................48 1.4.1.1. Phép đo kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ..........................................48 1.4.1.2. Nhiễu xạ tia X (XRD) ..................................................................................49 iv
1.4.2. Các phƣơng pháp xác định cấu trúc hóa học ..................................................50 1.4.2.1. Phƣơng pháp EDX (Energy-dispersive X-ray) ............................................50 1.4.2.2. Hấp thụ hồng ngoại (FTIR-Fourrier Transformation InfraRed) ..................50 1.4.3. Phƣơng pháp tán xạ động (Dynamic Light Scattering -DLS) ........................51 1.4.4. Các phƣơng pháp xác định tính chất quang ....................................................53 1.4.4.1. Phổ hấp thụ UV-Vis .....................................................................................53 1.4.4.2. Kính hiển vi trƣờng tối .................................................................................54 Chƣơng 2: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CÁC HẠT NANO VÀNG DẠNG CẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP NUÔI MẦM ..................................55 2.1. Nguyên liệu hóa chất ..........................................................................................55 2.2. Chế tạo hạt vàng kích thƣớc nhỏ - vàng Duff-Baiker ........................................55 2.2.1. Quá trình chế tạo .............................................................................................56 2.2.2. Hình thái và tính chất quang ...........................................................................57 2.3. Chế tạo các hạt nano vàng dạng cầu bằng phƣơng pháp nuôi mầm ..................59 2.3.1. Dung dịch nuôi ................................................................................................61 2.3.1.1. Chuẩn bị dung dịch nuôi ..............................................................................61 2.3.1.2. Xác định pH tối ƣu của dung dịch nuôi vàng hydroxyde ...........................62 2.3.2. Khảo sát sự phát triển của hạt khi thay đổi tỷ lệ nồng độ ion Au3+ trong dung dịch nuôi và nồng độ hạt vàng trong dung dịch mầm ...............................................63 2.3.3. Điều khiển kích thƣớc hạt nano vàng lên tới 200 nm .....................................65 2.3.3.1. Phát triển kích thƣớc hạt từ hạt vàng Duff-Baiker .......................................65 2.3.3.2. Phát triển kích thƣớc hạt từ hạt vàng citrate ................................................67 Kết luận chƣơng 2 .....................................................................................................76 Chƣơng 3: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CẤU TRÚC NANO LÕI SILICA VỎ VÀNG SiO2/Au ....................................................77 3.1. Nguyên liệu hóa chất -Quy trình chế tạo ...........................................................77 3.2. Chế tạo và amin hóa hạt nano silica bằng phƣơng pháp Stober ........................79 3.2.1. Thí nghiệm chế tạo và amin hóa hạt nano silica .............................................79 3.2.1.1. Tạo hạt nano silica bằng phƣơng pháp Stober ............................................80 3.2.1.2 Chức năng hóa bề mặt hạt nano silica bằng các phân tử APTES ................81 v
3.2.2. Kết quả tổng hợp hạt lõi nano silica................................................................81 3.3. Chuẩn bị hạt silica – vàng mầm .........................................................................85 3.3.1. Hấp phụ của hạt vàng Duff-Baiker lên hạt silica có hóa học bề mặt khác nhau ...................................................................................................................................85 3.3.2. Ảnh hƣởng của thời gian ủ tới quá trình hấp phụ các hạt nano vàng mầm lên hạt lõi nano silica. ............................................................................................................87 3.4. Chế tạo các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ silica/vàng ................................................88 3.4.1. Ảnh hƣởng nồng độ HCHO đến sự phát triển của hạt vàng trên bề mặt hạt nano silica...........................................................................................................................89 3.4.2. Chế tạo hạt nano SiO2/Au với tỉ lệ đƣờng kính lõi và độ dày vỏ thay đổi .....91 3.4.2.1. Chế tạo hạt nano SiO2/Au có độ dày vỏ thay đổi.........................................91 3.4.2.2. Tạo lớp vỏ vàng trên các hạt lõi silica có đƣờng kính trong khoảng 40-150 nm. ...................................................................................................................................95 Kết luận chƣơng 3 ...................................................................................................100 Chƣơng 4: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CẤU TRÚC NANO VÀNG DẠNG THANH .................................................................101 4.1. Nguyên liệu hóa chất - Quy trình chế tạo ........................................................101 4.1.1. Quy trình chế tạo thanh nano vàng ...............................................................102 4.1.2. Giai đoạn tạo mầm ........................................................................................103 4.1.3. Giai đoạn nuôi mầm để tạo thanh .................................................................105 4.2. Chế tạo các thanh nano vàng và khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng ....................106 4.2.1. Tỷ lệ nồng độ Ag+/Au3+ ................................................................................106 4.2.2. Nồng độ tác nhân khử Axit ascorbic (AA) ...................................................106 4.3. Kết quả chế tạo thanh nano vàng .....................................................................107 4.3.1. Hình dạng và thành phần của thanh nano vàng ...............................................107 4.3.2. Ảnh hƣởng của các yếu tố lên sự hình thành và phát triển của thanh...........109 4.3.2.1. Tỉ lệ nồng độ mol [Ag+ ]/[Au3+] ...................................................................109 4.3.2.2. Ảnh hƣởng của nồng độ AA .........................................................................115 4.4. Sự phụ thuộc tính chất quang của các thanh nano vàng vào chiết suất của môi trƣờng ......................................................................................................................117 4.4.1. Ảnh hƣởng của nồng độ CTAB lên tính chất quang của các thanh nano vàng .117 vi
4.4.2. Ảnh hƣởng của các phân tử bề mặt lên tính chất quang của các thanh nano vàng .........................................................................................................................119 Kết luận chƣơng 4 ...................................................................................................121 Chƣơng 5: THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG ...............................................................122 5.1. Gắn kết hạt nano vàng với các phân tử sinh học và tƣơng thích sinh học .......123 5.1.2. Gắn kết với phân tử albumin – protein bovine serum albumin (BSA) .........124 5.1.3. Gắn kết với glutathione (GSH) .....................................................................124 5.2. Một số kết quả gắn kết phân tử sinh học/tƣơng thích sinh học lên các cấu trúc nano vàng ................................................................................................................125 5.3. Kết quả sử dụng hạt nano vàng trong hiện ảnh tế bào .....................................130 5.4. Ứng dụng quang nhiệt của các cấu trúc nano vàng trên mô thịt ......................131 5.4.1. Bố trí thí nghiệm ...........................................................................................131 5.4.2. Kết quả ứng dụng quang nhiệt ......................................................................133 Kết luận chƣơng 5 ...................................................................................................137 DANH MỤC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ...............................141 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................143 PHỤ LỤC ................................................................................................................156 vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN Kí hiệu Tên Tiếng Anh Tên tiếng Việt AA Ascorbic acid Axit ascorbic AR Aspect Ratio Tỷ lệ cạnh CTAB Cetyl trimethyl ammonium bromide - NIR Near-infrared range Vùng hồng ngoại gần PPTT Plasmonic photo-thermal therapy Hiệu ứng quang – nhiệt SPR Surface plassmon resonance Cộng hƣởng plasmon bề mặt SP Surface plasmon Plasmon bề mặt SPP Surface Plasmon Polariton Plasmon polariton bề mặt DDA Discrete dipole approximation Gần đúng lƣỡng cực GNR Gold nanorod Thanh nano vàng TSPR Transmission surface plasmon Cộng hƣởng plasmon theo resonance chiều ngang của thanh LSPR Long surface plasmon resonance Cộng hƣởng plasmon theo chiều dọc của thanh max LSPR - Cực đại hấp thụ ứng với dao động LSPR của GNR R= - Tỷ số độ hấp thụ quang LSPR/TSPR BDAC Benzyl dimethylhexadecyl ammonium - chloride BSA Bovine serum albumin - THPC Tetra- - viii
kis(hydroxymethyl)phosphonium chloride DP Deposition Precipitation Kết tủa lắng đọng GPS Gold Plating Solution Dung dịch vàng hydroxide - Dung dịch nuôi GSH Glutathione reduced - TEOS Tetraethyl orthosilicate - APTES Propylamin-triethoxysilan - PEG Polyethylene glycol - TEM Transmission electron microscope Hiển vi điện tử truyền qua DLS Dynamic Light Scattering Tán xạ ánh sáng động học PdI Polydispertion Index Chỉ số đa phân tán ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các phƣơng pháp chế tạo hạt nano vàng dạng cầu bằng phƣơng pháp nuôi mầm ...................................................................................................................36 Bảng 1.2. Một số kết quả tổng hợp cấu trúc lõi/vỏ của các nhóm trên thế giới .......39 Bảng 2.1. Các hóa chất dùng trong quá trình chế tạo hạt nano vàng dạng cầu. .......55 Bảng 2.2. Các thông số thí nghiệm khảo sát sự phát triển của hạt khi nồng độ mầm thay đổi. .....................................................................................................................63 Bảng 2.3. Thể tích dung dịch nuôi và dung dịch mầm trong 4 bƣớc nuôi sử dụng hạt mầm ban đầu là hạt vàng Duff-Baiker. Lƣợng chất khử HCHO 37% trong mỗi bƣớc giữ không đổi 3µl. .....................................................................................................65 Bảng 2.4. Kích thƣớc và chỉ số PdI của các dung dịch nano vàng nhận đƣợc từ mầm Duff-Baiker sau các bƣớc nuôi .................................................................................67 Bảng 2.5. Thể tích dung dịch nuôi và dung dịch mầm trong 18 bƣớc nuôi từ bƣớc 5 đến bƣớc 22, hạt mầm ban đầu sử dụng là hạt vàng citrate. Lƣợng chất khử HCHO 37% trong mỗi bƣớc giữ không đổi 3µl. ...................................................................68 Bảng 2.6. Tính toán kích thƣớc, nồng độ, và các đặc tính quang của các hạt nano vàng thu đƣợc sau các bƣớc phát triển khác nhau....................................................72 Bảng 2.7. Các thông số quang của các dung dịch hạt keo vàng với một số kích thƣớc khác nhau ........................................................................................................74 Bảng 3.1. Các hóa chất dùng trong quá trình chế tạo các hạt nano cấu trúc lõi silica vỏ vàng (SiO2/Au). ....................................................................................................77 Bảng 3.2. Tổng hợp các kết quả đo kích thƣớc hạt từ ảnh TEM, PdI, đƣờng kính thủy động và nồng độ các hạt silica đƣợc chức năng hóa bề mặt .............................84 Bảng 3.3. Các thông số thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ HCHO đến sự phát triển lớp vỏ vàng................................................................................................90 Bảng 3.4. Chiều dày lớp vỏ vàng để phủ kín các lõi silica có đƣờng kính khác nhau ...................................................................................................................................97 Bảng 4.1. Các hóa chất dùng trong quá trình chế tạo cấu trúc nano vàng dạng thanh 101 Bảng 4.2. Các thông số thực nghiệm khảo sát sự ảnh hƣởng của ion Ag+ đến sự hình thành và phát triển của cấu trúc nano vàng dạng thanh ..................................106 Bảng 4.3. Ảnh hƣởng của nồng độ AA đến sự hình thành và phát triển của thanh nano vàng. ...............................................................................................................107 x
Bảng 4.4. Hiệu suất tạo thanh, đƣờng kính trung bình và tỉ lệ các cạnh của thanh tạo thành ứng với tỉ lệ mol [Ag+ ]/[Au3+] khác nhau ......................................................110 Bảng 4.5. Các thông số thực nghiệm khảo sát sự ảnh hƣởng của ion Ag+ đến sự hình thành và phát triển của cấu trúc thanh nano vàng ...........................................113 Bảng 4.6. Các thông số thực nghiệm khảo sát sự ảnh hƣởng của AA đến sự hình thành và phát triển của cấu trúc thanh nano vàng ...................................................116 Bảng 4.7. Cƣờng độ và bƣớc sóng đỉnh cộng hƣởng plasmon của thanh nano vàng trong các dung dịch CTAB với nồng độ khác nhau. ...............................................118 Bảng 4.8. Cƣờng độ và bƣớc sóng đỉnh cộng hƣởng plasmon của các dung dịch thanh nano vàng trƣớc và sau khi đƣợc bọc bằng các phân tử tƣơng thích sinh học: BSA, PEG, GSH .....................................................................................................121 Bảng 5.1. Kết quả thế Zeta của các dung dịch hạt nano SiO2/Au trƣớc và sau khi gắn kết với các phân tử BSA, GSH, PEG và kháng thể IgG/BSA .........................128 Bảng 5.2. Mật độ công suất ứng với chiều dày mẫu thay đổi ................................133 Bảng 5.3. Nhiệt độ Tmax đạt đƣợc của mẫu tiêm các hạt nano SiO2 /Au, thanh nano vàng ở cùng độ hấp thụ khi đƣợc chiếu sáng bằng laser 808 nm. ..........................135 xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sự tạo thành dao động plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại ........10 Hình 1.2. Sự phụ thuộc của hệ số suy hao  của hạt nano vàng vào kích thƣớc hạt. ...................................................................................................................................15 Hình 1.3. Phổ hấp thụ của các dung dịch nano vàng cầu phụ thuộc vào kích thƣớc hạt [79] ......................................................................................................................16 Hình 1.4. Tính toán các hiệu suất hấp thụ Qabs (đƣờng gạch đỏ), hiệu suất tán xạ Qsca (đƣờng chấm đen), và hiệu suất dập tắt Q (đƣờng liền màu xanh) cho các hạt cầu nano vàng (a) D = 20 nm, (b) D = 40 nm, (c) D = 80 nm, và (d) polystyrene nanospheres D = 300 nm ..........................................................................................18 Hình 1.5. Sự phân bố điện tích trên một thanh nano dƣới kích thích của ánh sáng tới 19 Hình 1.6. Đặc tính quang của nano vàng dạng thanh phụ thuộc vào tỉ lệ các cạnh của thanh. Ảnh TEM của các thanh nano vàng với tỉ lệ các cạnh khác nhau (A); Sự phụ thuộc của màu sắc tán xạ vào tỉ lệ các cạnh (B); Phổ dập tắt đã chuẩn hóa thể hiện sự dịch đỉnh cộng hƣởng plasmon về phía sóng dài khi tỉ lệ các cạnh của thanh (AR) tăng (C). ...........................................................................................................21 Hình 1.7. Sự phụ thuộc tính chất quang của thanh nano vàng vào chiết suất môi trƣờng ........................................................................................................................22 Hình 1.8. Cấu trúc nano lõi/vỏ silica/vàng ...............................................................23 Hình 1.9. Mô hình lai mô tả sự tƣơng tác giữa hạt nano cầu đặc và hạt nano cầu rỗng ..........................................................................................................................24 Hình 1.10. Sự thay đổi cộng hƣởng plasmon của các cấu trúc lõi silica vỏ vàng theo độ dày lớp vỏ . ...................................................................................................25 Hình 1.11. Hệ số hấp thụ (đƣờng liền) và hệ số tán xạ (đƣờng gạch) đƣợc tính toán theo lý thuyết Mie cho hạt cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au với tỉ lệ lõi/vỏ không đổi 0.8. Với hạt có bán kính lõi 40 nm, bán kính lớp vỏ là 50nm, hiệu suất hấp thụ và tán xạ là nhƣ nhau . ..............................................................................................................26 Hình 1.12. Tính toán hiệu suất dập tắt (đƣờng trên cùng), hấp thụ (đƣờng ở giữa), tán xạ (đƣờng dƣới cùng) của: a.hạt nano vàng dạng cầu đƣờng kính 80nm, b. cấu trúc lõi/vỏ vàng bán kính 70nm với lõi silica bán kính 60nm, c. thanh nano vàng 59,6 x 13,5nm . .........................................................................................................26 xii
Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp nuôi mầm ........................................28 Hình 1.14. Các thay đổi trong các nồng độ nguyên tử của các phần tử phát triển trong dung dịch nhƣ một hàm theo thời gian I) giai đoạn sinh ra các nguyên tử II) giai đoạn tạo hạt nhân và III) giai đoạn hình thành và phát triển hạt mầm ............29 Hình 1.15. Sơ đồ minh họa cho sự ổn định tĩnh điện giữa hai hạt nano keo dạng cầu ...................................................................................................................................31 Hình 1.16. Thế năng tổng (V đƣờng liền nét) biểu diễn sự kết hợp của các thế năng hút Van der Waals và thế năng đẩy tĩnh điện (VA và VR, tƣơng ứng) . ....................32 Hình 1.17. Ổn định không gian giữa hai hạt tiến lại gần nhau chứa các polymer liên kết một đầu với bề mặt các hạt ..........................................................................33 Hình 1.18. Các phƣơng pháp tổng hợp hạt có cấu trúc lõi vỏ: silica/ vàng: a) theo mô tả Halas et al.; b) và c) theo phƣơng pháp lắng đọng DP. ..................................38 Hình 1.19. Mô hình minh họa cơ chế phát triển của thanh nano vàng khi không có ion Ag+ ......................................................................................................................41 Hình 1.20. Cơ chế hình thành GNR dƣới sự định hƣớng của ion Ag+.....................42 Hình 1.21. Đánh dấu tế bào SiHa bằng hạt nano Au: ảnh A, B, C, D là đánh dấu đặc hiệu dùng hạt vàng gắn với kháng thể EGFR, ảnh E, F là đánh dấu không đặc hiệu dùng hạt Au gắn kết với BSA . ........................................................................................................44 Hình 1.22. Ảnh trƣờng tối của tế bào SKBr3 khi không đƣợc ủ với cấu trúc nano lõi/vỏ (1), khi ủ với phức hệ nano@ kháng thể không đặc hiệu IgG(2), khi ủ với phức hệ nano @kháng thể đặc hiệu HER2. ................................................................................45 Hình 1.23. Khu vực khoanh đỏ là nơi nanoshells đƣợc tiêm vào: trong vài phút bị đốt nóng dƣới ánh sáng gần hồng ngoại, các tế bào này đã chế . .............................47 Hình 1.24. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ................................48 Hình 1.25. Hiện tƣợng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn, ...............49 Hình 1.26. Sự biến thiên của thế zeta theo giá trị pH của môi trƣờng .....................52 Hình 1.27. Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis........................................................53 Hình 1.28. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của kính hiển vi trƣờng tối ..............................54 Hình 2.1. Sơ đồ phản ứng tạo hạt vàng theo phƣơng pháp Duff-Baiker..................56 Hình 2.2. Ảnh TEM của hạt vàng Duff –Baiker, thang đo 20 nm(trái) và phổ hấp thụ plasmon của chúng(phải). ...................................................................................58 xiii
Hình 2.3. Ảnh TEM của hạt vàng Duff-Baiker sau 21 ngày bảo quản ở 40C (ảnh a) và bảo quản ở nhiệt độ phòng (ảnh b), thang đo 20 nm. ...........................................59 Hình 2.4. Sơ đồ tổng hợp hạt nano vàng dạng cầu bằng phƣơng pháp nuôi mầm qua nhiều bƣớc nuôi ..................................................................................................60 Hình 2.5. Phổ hấp thụ của các dung dịch nuôi có các giá trị pH khác nhau sau 5 phút phản ứng khử.....................................................................................................62 Hình 2.6. Ảnh TEM của các mẫu Au-Ci 0 (mầm d =16±1,5nm), mẫu 1: d = 30±3nm, mẫu 2: d = 35 ± 3nm; mẫu 3: d= 45±5nm; mẫu 4: d = 65±7nm. ..............64 Hình 2.7. Ảnh TEM của hạt vàng mầm và sản phẩm của 4 bƣớc nuôi. ...................66 Hình 2.8. Ảnh TEM của hạt vàng citrate (a) với thang kích thƣớc là 100 nm, phổ phân bố kích thƣớc hạt (b) ........................................................................................68 Hình 2.9. Ảnh TEM của các hạt nano mầm vàng citrate và sản phẩm thu đƣợc ở các bƣớc nuôi khác nhau với độ phóng đại 40000X, thang đo 100nm. ..........................69 Hình 2.10. Phổ cộng hƣởng plasmon của các dung dịch keo vàng kích thƣớc nhỏ từ bƣớc nuôi 1 đến bƣớc nuôi 3 (A), phổ cộng hƣởng plasmon của các dung dịch keo vàng kích thƣớc lớn từ bƣớc 17 đến bƣớc 22 (B ) và phổ chuẩn hóa của các dung dịch từ bƣớc nuôi thứ 5 đến bƣớc nuôi thứ 16 (C). ..................................................72 Hình 2.11. các phổ hấp thụ tƣơng ứng với các dao động lƣỡng cực và dao động tứ cực đƣợc tách ra từ phổ hấp thụ của các dung dịch hạt sản phẩm của bƣớc nuôi 17 (trái) và bƣớc nuôi 22 (phải). ....................................................................................73 Hình 2.12. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tiết diện dập tắt và tiết diện hấp thụ của hạt nano vàng vào đƣờng kính của hạt ...............................................................75 Hình 2.13. Sự phụ thuộc của tiết diện tắt của các hạt nano vàng dạng cầu vào đƣờng kính của hạt ....................................................................................................75 Hình 3.1. Sơ đồ chế tạo hạt nano SiO2/Au theo quy trình 4 bƣớc ...........................78 Hình 3.2. Sơ đồ chế tạo và amin hóa hạt silica bằng phƣơng pháp Stober ..............80 Hình 3.3. Ảnh TEM của các hạt nano silica đƣợc làm với lƣợng NH4OH khác nhau: 900 µl; 1000µl; 1100µl; 1200µl; 1300µl (từ trái sang phải) trƣớc (hàng trên) và sau (hàng dƣới) khi chức năng hóa bề mặt với APTES các tại thang đo 100nm với độ phóng đại 40000 lần. .................................................................................................82 xiv
Hình 3.4. Giản đồ phân bố kích thƣớc hạt của các hạt silica chức năng hóa bề mặt với các lƣợng NH4OH khác nhau: a) 900 µl; b) 1000 µl; c) 1100 µl; d) 1200 µl; e) 1300 µl. .....................................................................................................................83 Hình 3.5. Ảnh TEM của các hạt nano silica trƣớc a) và sau b) chức năng hóa bề mặt bằng APTES khi đƣợc ủ với các hạt nano vàng Duff- Baiker trong cùng điều kiện. Độ phóng đại 40 nghìn lần. .......................................................................................86 Hình 3.6 Ảnh TEM của các hạt silica kích thƣớc 150 nm sau khi ủ với vàng Duff- Baiker trong các thời gian a) 1h; b)3h; c) 4h; d)24h. Độ phóng đại 40000 lần, thang đo 100nm ...................................................................................................................87 Hình 3.7. Sơ đồ nuôi mầm để hình thành hạt cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au ....................88 Hình 3.8. Phổ hấp thụ của dãy mẫu SiO2/Au với các lƣợng HCHO thay đổi ..............91 Hình 3.9. Phổ hấp thụ plasmon cộng hƣởng của : A) hạt “mầm”; B) phát triến lớp vỏ ƣớc tính 5nm; C) lớp vỏ ƣớc tính 7 nm; D) lớp vỏ ƣớc tính 15 nm đƣợc phát triển trên lõi silica đƣờng kính 150 nm. ....................................................................92 Hình 3.10. Ảnh SEM của lõi silica đƣờng kính 150 nm đƣợc phát triển lớp vỏ theo các giai đoạn khác nhau: A) hạt silica –vàng mầm; B) phát triến với lớp vỏ ƣớc tính 5nm; C) lớp vỏ ƣớc tính 7 nm; D) lớp vỏ ƣớc tính 15 nm với độ phóng đại 100 nghìn lần. ...................................................................................................................94 Hình 3.11. HTEM và ảnh phân tích EDX tƣơng ứng của cấu trúc hạt lõi silica 150nm theo tiến trình làm kín lớp vỏ kim loại vàng tƣơng ứng với các hạt trên hình 3.8 (B), (C), (D). Mầu vàng tƣơng ứng với nguyên tố Au, mầu đỏ ứng với nguyên tố O; mầu xanh lá ứng với nguyên tố Si; với thang đo 100 nm. ...............................94 Hình 3.12. Ảnh TEM của các hạt nano với đƣờng kính hạt lõi trung bình khác nhau (A) 45nm, (B) 65nm, (C) 100nm, (D) 110 nm, (E) 130 nm , (F) 150 nm đƣợc bọc với lớp vỏ vàng: (i) silica lõi, (ii) silica gắn vàng THPC, (iii) lớp vỏ vàng trong quá trình phát triển, (iv) lớp vỏ vàng đã bọc kín hạt........................................................96 Hình 3.13. Phổ hấp thụ và phổ hấp thụ chuẩn hóa của dãy mẫu của hạt nano cấu trúc lõi/vỏ Si2O/Au có kích thƣớc lõi 45 nm (hàng trên), 130 nm (hàng giữa) và 150nm (hàng dƣới) với độ dày lớp vỏ thay đổi. .......................................................98 Hình 3.14. Phổ cộng hƣởng plasmon chuẩn hóa của các dung dịch hạt nano SiO2/Au với cùng độ dày lớp vỏ và các đƣờng kính hạt lõi thay đổi. ......................99 xv
Hình 4.1. Sơ đồ tổng hợp nano vàng dạng thanh bằng phƣơng pháp nuôi mầm ...103 Hình 4.2. Ảnh HTEM của tinh thể vàng mầm để tạo thanh: thang đo 5 nm với độ phóng đại 500 nghìn lần (hình trái), thang đo 2 nm với độ phóng đại 1 triệu lần (hình phải). ..............................................................................................................104 Hình 4.3. Cấu trúc lý tƣởng cho các thanh nano vàng đƣợc tổng hợp khi có ion Ag+ [93] .................................................................................................................................104 Hình 4.4. Ảnh TEM của thanh nano vàng với độ phóng đại 200 nghìn lần tại thang đo .................................................................................................................................108 10 nm (trái), phổ hấp thụ plasmon của chúng (phải) .................................................108 Hình 4.5. Phổ XRD của thanh nano vàng ..............................................................109 Hình 4.6. Ảnh TEM của các mẫu thanh nano vàng với [Ag+] /[Au3+] thay đổi, thang đo bằng 20nm ..........................................................................................................110 Hình 4.7. Phổ hấp thụ plasmon cộng hƣởng của các dung dịch thanh nano vàng theo tỉ lệ mol [Ag+] / [Au3+] (hình trái) và phổ chuẩn hóa (hình phải). ..............................112 Hình 4.8. Sự phụ thuộc của bƣớc sóng đỉnh hấp thụ cộng hƣởng plasmon theo chiều dọc max LSPR (đƣờng đen) và tỉ lệ độ hấp thụ theo hai trục của thanh LSP/TSP =R (đƣờng xanh) vào nồng độ ion Ag+. ..................................................114 Hình 4.9. Sự phụ thuộc của bƣớc sóng đỉnh hấp thụ plasmon theo chiều dọc vào tỉ lệ các cạnh của thanh AR. .......................................................................................115 Hình 4.10. Phổ hấp thụ của các dung dịch chứa các thanh nano vàng khi tỉ lệ mol [AA]/[Au3+] thay đổi (hình a) và phổ hấp thụ chuẩn hóa của các dung dịch đó (hình b). .................................................................................................................................116 Hình 4.11. Phổ hấp thụ plasmon của thanh nano vàng 10 nm  40 nm phân tán trong môi trƣờng với các nồng độ CTAB khác nhau (trái) và phổ chuẩn hóa của chúng(phải). ............................................................................................................117 Hình 4.12. Hình minh hoạ liên kết của CTAB trên bề mặt thanh nano vàng theo nồng độ. ...................................................................................................................119 Hình 4.13. Các phổ hấp thụ (trái) và phổ hấp thụ chuẩn hóa (phải) của các dung dịch nano vàng dạng thanh trƣớc và sau khi đƣợc bọc bằng các phân tử tƣơng thích sinh học BSA, PEG, GSH. ......................................................................................120 Hình 5.1. Cấu trúc phân tử thiol – PEG – acid .......................................................123 xvi
Hình 5.2. Sơ đồ gắn kết phân tử PEG lên hạt nano vàng (Au@PEG) ...................123 Hình 5.3. Cấu trúc chung của các axit amin ...........................................................124 Hình 5.4. Sơ đồ gắn kết phân tử BSA lên bề mặt của hạt nano vàng(Au@BSA) .124 Hình 5.5. Cấu trúc phân tử GSH ............................................................................124 Hình 5.6. Phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR) của protein BSA và Au@BSA ............125 Hình 5.7. Ảnh TEM của hạt nano vàng trƣớc (trái) và sau khi bọc BSA (phải), thang đo 50 nm .......................................................................................................126 Hình 5.8. Phổ hấp thụ plasmon của các dung dịch hạt nano vàng không gắn kết với BSA (trái) và có gắn BSA (phải) theo thời gian bảo quản......................................127 Hình 5.9. Phổ hấp thụ plasmon của dung dịch hạt SiO2/Au trƣớc và sau khi gắn kết với các phân tử khác nhau BSA, GSH, PEG, IgG/BSA .........................................128 Hình 5.10. Thế zeta của nanoshells gắn kết với các phân tử GSH, PEG, BSA và kháng thể IgG/BSA .................................................................................................129 Hình 5.11. Ảnh hiển vi trƣờng tối của tế bào ung thƣ nuôi cấy BT -474 (A), ảnh hiển vi trƣờng tối của tế bào ung thƣ BT-474 đƣợc đánh dấu bằng phức hệ Au@ IgG-HER2 (B) và ảnh hiển vi trƣờng tối của tế bào ung thƣ BT-474 đƣợc ủ với hạt nano vàng@BSA (C). .............................................................................................130 Hình 5.12. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát hiệu ứng quang nhiệt trên mô thịt. ...131 Hình 5.13. Phổ hấp thụ plasmon của dung dịch thanh nano vàng (hình trái) và SiO2/Au (hình phải).................................................................................................132 Hình 5.14. Sự biến đổi nhiệt độ theo thời gian chiếu sáng bằng laser bƣớc sóng 808 nm của các mẫu tiêm các hạt nano vàng cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au, thanh nano vàng có cùng độ hấp thụ, các mẫu có độ dày 1 mm, 2mm, 3mm, 4mm. ........................134 Hình 5.15. Sự phụ thuộc nhiệt độ chênh lệch của các mẫu chứa dung dịch nano vàng với nhiệt độ môi trƣờng vào mật độ công suất chiếu tại hạt. .........................135 xvii
MỞ ĐẦU Các ứng dụng của công nghệ nano vào khoa học sự sống ngày càng đƣợc phát triển rộng rãi, trong đó việc sử dụng các vật liệu nano trong các ứng dụng Y- Sinh nhƣ tăng độ nhạy của chẩn đoán và điều trị hƣớng đích đang là những hƣớng nghiên cứu đƣợc nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới và trong nƣớc quan tâm phát triển. Một trong những loại vật liệu nano mang lại nhiều tiềm năng cho hai hƣớng ứng dụng đó là vật liệu nano kim loại, đặc biệt là các cấu trúc nano vàng. Ngay từ những thế kỉ đầu sau Công Nguyên, nhiều ứng dụng của các hạt nano vàng đã đƣợc biết đến để tạo nên màu sắc của các kính màu nhà thờ hay của các bát đĩa sứ. Tuy nhiên, sự thay đổi màu sắc của các dung dịch keo vàng chỉ thực sự đƣợc làm sáng tỏ vào năm 1908 bởi nhà khoa học ngƣời Đức Gustav Mie khi ông giải bài toán về sự tƣơng tác của sóng điện từ với các điện tử dẫn trên các hạt hình cầu. Sự dao động đồng pha của tập thể các điện tử dẫn trên bề mặt các cấu trúc nano kim loại dƣới sự kích thích của sóng ánh sáng gây ra một hiệu ứng điển hình cho các cấu trúc nano kim loại – hiệu ứng cộng hƣởng plasmon bề mặt. Điều kiện để có hiện tƣợng cộng hƣởng là tần số của ánh sáng kích thích bằng tần số dao động riêng của hệ điện tử tự do trên bề mặt kim loại. Các kim loại nhƣ Au, Ag có tần số cộng hƣởng nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy gây nên các hiệu ứng về màu sắc [99]. Hiệu ứng cộng hƣởng plasmon bề mặt làm cho tính chất quang của các cấu trúc nano kim loại phụ thuộc mạnh vào hình dạng, kích thƣớc và môi trƣờng bao quanh chúng. Các hạt nano vàng có khả năng hấp thụ và tán xạ ánh sáng cao gấp 4- 6 bậc so với các phân tử mầu thông thƣờng [88]. Hơn nữa, đặc tính ƣu việt của hạt nano vàng là không độc, có cấu trúc ổn định, có khả năng tƣơng thích sinh học cao và dễ dàng hoạt hóa bề mặt để gắn kết với các phân tử sinh học cũng nhƣ các phân tử thuốc thông qua các chất có chứa nhóm –SH. Với các đặc tính đặc thù này, các nghiên cứu ứng dụng y-sinh của các cấu trúc nano vàng ngày càng phát triển. Trên thế giới, việc nghiên cứu khai thác các ứng dụng của các cấu trúc nano vàng đang rất đƣợc quan tâm. Các hạt nano vàng dạng cầu với đỉnh cộng hƣởng 1
plasmon nằm trong vùng ánh sáng khả kiến có thể đƣợc khai thác trong nhiều ứng dụng tùy thuộc vào kích thƣớc của chúng. Chẳng hạn, các hạt nano vàng với kích thƣớc trung bình dƣới 5 nm đƣợc sử dụng chủ yếu để làm chất xúc tác cho phản ứng chuyển hóa khí CO thành CO2 ở nhiệt độ thấp (dƣới 00C) [82]. Trong khi đó, các hạt vàng nano với kích thƣớc 10-50 nm đƣợc sử dụng để vận chuyển insulin một cách hiệu quả trong các liệu pháp chữa trị bệnh [5]. El-Sayed và các cộng sự cũng đã thành công trong việc sử dụng hạt vàng nano với kích thƣớc 30 - 40 nm làm chất đánh dấu cho chẩn đoán bệnh bằng ảnh hiển vi tán xạ do khả năng tán xạ mạnh ánh sáng trong vùng nhìn thấy [123]. Các hạt keo nano vàng cấu trúc lõi vỏ (nanoshells) nhƣ lõi điện môi silica/vỏ vàng (SiO2/Au) nhờ có lõi điện môi làm tăng diện tích bề mặt của hạt nên các hạt SiO2/Au có tiết diện dập tắt lớn hơn các hạt nano vàng cầu có cùng thể tích vàng [111]. Tính chất quang của các hạt nano vàng cấu trúc lõi vỏ đã đƣợc giải thích dựa trên mô hình lai khi xem plasmon kích thích từ hạt nanoshell là sự tƣơng tác giữa một hạt nano cầu đặc và một hạt nano cầu rỗng [59]. Hai plasmon cộng hƣởng tƣơng tác lai với nhau tạo thành hai mô hình đối xứng và phản đối xứng, tƣơng ứng với hai mô hình đó là hai tần số cộng hƣởng plasmon phụ thuộc vào tần số plasmon khối và tỉ lệ độ dày lõi - vỏ. Nhƣ vậy, với việc điều khiển tỉ lệ tƣơng quan giữa đƣờng kính lõi và độ dày vỏ có thể điều khiển đƣợc đỉnh cộng hƣởng plasmon nằm trong vùng hồng ngoại gần 700 nm – 900 nm [59] vì đây là vùng ánh sáng có thể xuyên sâu nhất vào trong da và mô [111]. Với phổ cộng hƣởng plasmon trải rộng từ vùng ánh sáng nhì thấy đến vùng hồng ngoại gần nên các hạt nano vàng cấu trúc lõi vỏ có thể vừa làm chất đánh dấu hiện ảnh cho chẩn đoán bệnh, vừa mang thuốc hƣớng đích kết hợp với vật lý trị liệu (đốt từ, quang nhiệt, chiếu xạ...). Các thanh nano vàng có hai đỉnh cộng hƣởng plasmon đặc trƣng: một đỉnh tƣơng ứng với dao động plasmon theo chiều ngang của thanh (TSPR) có cƣờng độ yếu và một đỉnh ứng với dao động cộng hƣởng plasmon theo chiều dọc của thanh (LSPR) có cƣờng độ lớn hơn nằm trong vùng khả kiến hoặc hồng ngoại gần tùy thuộc vào tỷ số các cạnh của thanh [15, 100]. Nhƣ vậy, có thể điều chỉnh tính chất 2