Luận văn Thạc sĩ Khoa học Vật lý: Nghiên cứu các đặc tính quang của hạt nano vàng được chức năng hóa để ứng dụng trong phát hiện vi khuẩn gây bệnh bằng phép đo màu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:59

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận văn nhằm chế tạo nano vàng sạch bằng phương pháp điện hóa và phân tích các đặc trưng quang của hạt nano vàng trước và sau khi chức năng hóa với kháng thể ở các điều kiện khác nhau. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học Vật lý: Nghiên cứu các đặc tính quang của hạt nano vàng được chức năng hóa để ứng dụng trong phát hiện vi khuẩn gây bệnh bằng phép đo màu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH QUANG CỦA HẠT NANO VÀNG ĐƢỢC CHỨC NĂNG HÓA ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG PHÁT HIỆN VI KHUẨN GÂY BỆNH BẰNG PHÉP ĐO MÀU Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8.44.01.10 Học viên: Vũ Thị Lanh Hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Quang Huy THÁI NGUYÊN - 2019
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Khoa Vật lý và Công nghệ - Trƣờng Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên, tôi đã nhận đƣợc sự quan tâm và sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô và anh chị trong Khoa cũng nhƣ trong Trƣờng. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn với những giúp đỡ đó. Đặc biệt, tôi xin chân thành cám ơn TS. Trần Quang Huy, ngƣời thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn tôi thực hiện luận văn này. Tôi xin chân thành cám ơn Ban giám hiệu, và các thầy cô trong bộ môn Trƣờng Trung học phổ thông Quế Võ số 3, Bắc Ninh đã tạo điều kiện cho tôi theo học chƣơng trình này. Tôi cũng xin chân thành cám ơn các thầy cô trong Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ƣơng, Viện Nghiên cứu Nano – Trƣờng Đại học Phenikaa đã tạo mọi điều kiện về máy móc, trang thiết bị và phòng thí nghiệm để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Cuối cùng tôi xin cám ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn ủng hộ tôi trong suốt quá trình học tập tại Thái Nguyên cũng nhƣ đi làm thí nghiệm. Thái Nguyên, ngày 6 tháng 11 năm 2019 Học viên Vũ Thị Lanh I
II
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi dƣới sự giúp đỡ về mặt chuyên môn và hƣớng dẫn khoa học của TS. Trần Quang Huy. Đề tài nghiên cứu đƣợc sự hỗ trợ của dự án Nghị định thƣ mã số: NĐT.05.ITA/15. Kết quả khóa luận là trung thực và không sao chép từ bất cứ tài liệu nào. Những nội dung khóa luận có tham khảo và sử dụng các tài liệu đã công bố của nhóm nghiên cứu và trên các tạp chí và các trang web uy tín đều đƣợc trích dẫn và liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo của luận văn. Hà Nội, ngày 6 tháng 11 năm 2019 Tác giả luận văn Vũ Thị Lanh Xác nhận Xác nhận của Trƣởng Khoa chuyên môn của cán bộ hƣớng dẫn khoa học TS. Trần Quang Huy II
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN…………………………………………………………………..I LỜI CAM ĐOAN …………………………………………………………….II MỤC LỤC…………………………………………………………………….III DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT …………………………IV DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ …………………………………..VI DANH MỤC BẢNG BIỂU ………………………………………………..VIII MỞ ĐẦU............................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................... 4 1.1. Tổng quan về nano vàng ................................................................................ 4 1.1.1. Tính chất của nano vàng ............................................................................. 5 1.1.2. Chế tạo nano vàng ....................................................................................... 8 1.2 Chức năng hóa hạt nano vàng ......................................................................... 9 1.3 Ứng dụng của nano vàng trong y sinh .......................................................... 13 CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ............................................. 16 2.1 Vật liệu, hóa chất và trang thiết bị ................................................................ 16 2.1.1. Vật liệu, sinh phẩm ................................................................................... 16 2.1.2. Thiết bị phân tích ...................................................................................... 16 2.2. Chế tạo nano vàng bằng phƣơng pháp điện hóa .......................................... 16 2.3 Chức năng hóa hạt nano vàng với kháng thể ................................................ 17 2.4. Tạo que thử để phát hiện vi khuẩn tụ cầu vàng bằng phép đo màu ............. 19 2.5.1 Nồng độ nano vàng .................................................................................... 21 2.5.2 Nồng độ kháng thể ..................................................................................... 21 2.5.3 Độ pH ......................................................................................................... 22 2.5.4 Thời gian tạo phức hợp .............................................................................. 22 2.5.5. Nhiệt độ tạo phức hợp ............................................................................... 22 2.6 Thử nghiệm khả năng phát hiện vi khuẩn tụ cầu vàng ................................. 22 2.7. Khảo sát các đặc trƣng của nano vàng trƣớc và sau khi chức năng hóa ..... 23 III
2.7.1. Phƣơng pháp đo phổ hấp thụ UV-vis. ...................................................... 23 2.7.2. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM). ........................................................... 24 2.7.3. Hển vi điện tử quét ( SEM ) ...................................................................... 25 2.7.4. Phân tích thành phần (EDX). .................................................................... 26 2.8. Kết luận ........................................................................................................ 27 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 28 3.1. Nano vàng chế tạo bằng phƣơng pháp điện hóa .......................................... 28 3.2. Phức hợp nano vàng – kháng thể và đặc tính quang ................................... 32 3.2.1 Nồng độ kháng thể gắn với nano vàng và các đặc tính quang .................. 32 3.2.2 Xác định độ pH dung dịch nano vàng để tạo phức hợp ............................. 35 3.2.3.Xác định thời gian tạo phức hợp nano vàng – kháng thể .......................... 36 3.2.4.Nhiệt độ tạo phức hợp ................................................................................ 37 3.3. Tạo que thử trên cơ sở phức hợp nano vàng -kháng thể để phát hiện vi khuẩn tụ cầu vàng ............................................................................................... 37 3.4 Khả năng phát hiện vi khuẩn tụ cầu vàng sử dụng phức hợp nano vàng – kháng thể tích hợp trên que thử nhanh ................................................................ 39 3.5 Kết luận ......................................................................................................... 41 KẾT LUẬN CHUNG.......................................................................................... 42 KIẾN NGHỊ ........................................................................................................ 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 44 CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ................................................................................. 49 IV
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Viết tắt Giải nghĩa 1. Au Vàng 2. AuNPs Nano vàng 3. CTAB Tetradodecylammonium bromide 4. DNA Deoxyribonucleic Acid 5. DLS Tán xạ ánh sáng động học (Dynamic Light Scattering) 6. E. coli Escherichia coli 7. EDX Tán xạ năng lƣợng tia X 8. PEG Polyethylene glycol 9 PBS Dung dịch đệm (Phosphate buffered saline) 10. PSMA Kháng nguyên màng tế bào tuyến tiền liệt 11. S. aureus Tụ cầu (Staphyloccocus aureus) 12. SEM Hiển vi điện tử quét 13. ssDNA DNA sợi đơn (Single strain DNA) 14. TEM Hiển vi điện tử truyền qua 15. XRD Nhiễu xạ tia X 16. UV-vis Tử ngoại khả kiến V
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cấu trúc lập phương tâm mặt tinh thể Au 4 Hình 1.2. Tương tác của sóng điện từ với hạt nano vàng tạo ra hiện tượng cộng 5 hưởng bề mặt (a) và đỉnh phổ hấp thụ theo kích thước hạt nano vàng (b) Hình 1.3. Sự thay đổi màu sắc của dung dịch nano vàng theo kích thước 6 Hình 1 .4. Ứng dụng của nano vàng trong y sinh 13 Hình 2.1. Mô hình chế tạo dung dịch nano vàng 17 Hình 2.2 Quy trình gắn kháng thể với hạt nano vàng 18 Hình 2.3. Máy phun vạch kháng thể lên màng nitrocellulose tại Viện Công nghệ 20 sinh học và Công nghệ thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Hình 2.4 Nguyên lý tạo que thử sắc ký miễn dịch 21 Hình 2.5. Máy quang phổ UV-vis 23 (Dynamica, Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương) Hình 2.6. Học viên làm việc trên kính hiển vi điện tử truyền qua (JEM 1010, 25 JEOL). Hình 2.7. Học viên làm việc trên kính hiển vi điện tử quét (S-4800, Hitachi). 26 Hình 2.8. Thiết bị phân tích EDX (EMAX-Horiba) gắn trên SEM tại Viện Vệ 27 sinh Dịch tễ Trung ương Hình 3.1. Nano vàng chế tạo từ thanh vàng bằng phương pháp điện hóa 28 Hình 3.2. Phổ UV-vis (a) và ảnh TEM hạt nano vàng (b) chế tạo bằng phương 29 pháp điện hóa Hình 3.3. Ảnh SEM của nano vàng chế tạo bằng phương pháp điện hóa 30 VI
Hình 3.4. Phổ EDX của nano vàng chế tạo bằng phương pháp điện hóa. Ảnh 31 góc trên phải là hình ảnh SEM của vùng phân tích thành phần. Hình 3.5. Phức hợp nano vàng-kháng thể (a) và tạo tấm cộng hợp (b) 32 Hình 3.6. Phổ UV-vis của nano vàng (a), và phức hợp nano vàng – kháng thể 33 tương ứng với nồng độ 0,5 µg/mL(b); 1 µg/mL (c) và 1,5 µg/mL (d) Hình 3.7. Sự hình thành vạch màu phụ thuộc nồng độ kháng thể gắn với nano 34 vàng Hình 3.8. Sự hình thành vạch màu phụ thuộc độ pH dung dịch nano vàng 35 Hình 3.9. Sự hình thành vạch màu phụ thuộc thời gian ủ giữa nano vàng – 36 kháng thể Hình 3.10. Sự hình thành vạch màu phụ thuộc nhiệt độ ủ giữa nano vàng – 37 kháng thể Hình 3.11. Quá trình tạo que thử nhanh để phát hiện tụ cầu vàng. Chuẩn bị tấm 38 cộng hợp nano vàng – kháng thể (a); gắn tấm cộng hợp lên trên que thử có gắn màng nitrocellulose (b); gắn miếng thấm giữ và hút mẫu (c); và đóng gói thành que thử hoàn chỉnh (d). Hình 3.12. Ảnh SEM của vi khuẩn tụ cầu vàng (a) và vi khuẩn E.coli O157 (b) 39 Hình 3.13. Vạch màu xác nhận khả năng phát hiện vi khuẩn tụ cầu vàng (S. 40 aureus) (cột trái) và E. coli O157 (cột phải) sử dụng que thử nhanh tích hợp phức hợp nano vàng – kháng thể VII
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số phƣơng pháp chức năng hóa và ứng dụng của nano vàng 9 VIII
MỞ ĐẦU Trong hơn 20 năm trở lại đây, công nghệ nano luôn là một trong những công nghệ thu hút đƣợc sự quan tâm lớn nhất của các nhà khoa học cũng nhƣ ngƣời dân trên toàn thế giới. Hàng loạt phát minh ứng dụng công nghệ nano đã đƣợc thƣơng mại hóa, góp phần đáng kể vào việc cải thiện chất lƣợng sống cũng nhƣ sự tiến bộ của nhân loại. Nano vàng (AuNPs) là một trong những nano kim loại điển hình, đƣợc các nhà nghiên cứu chú ý ngay từ giai đoạn đầu khi công nghệ nano phát triển, chúng đƣợc khai thác và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là ngành công nghiệp điện tử và y sinh học [1], [2]. Nano vàng là vật liệu dễ tổng hợp và chức năng hóa, ít độc tính đối với con ngƣời và hệ sinh thái. Đặc biệt, vật liệu này có những tính chất độc đáo nhƣ hiệu ứng plasmon bề mặt, độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ phản quang cao, và tƣơng thích với các phần tử sinh học [2]. Chính vì vậy, nano vàng có khả năng ứng dụng để tiêu diệt tế bào ung thƣ trên cơ sở hiệu ứng quang nhiệt, dẫn thuốc tới tế bào đích, tạo ảnh sinh học hay chẩn đoán tác nhân gây bệnh và các ứng dụng y sinh học khác [3]. Nano vàng có thể đƣợc chức năng và gắn với kháng thể kháng mầm bệnh đặc hiệu, giúp đánh dấu hoặc phát hiện chính xác sự có mặt của mầm bệnh trong mẫu phân tích. Trong các que thử nhanh chế tạo dựa trên nguyên lý và kỹ thuật sắc ký miễn dịch, nano vàng đƣợc sử dụng nhƣ chất chỉ thị để tạo vạch màu, chúng giúp xác định nhanh kết quả âm hay dƣơng tính bằng mắt thƣờng đối với bệnh hay triệu chứng nào đó. Theo một phân tích gần đây từ các công trình công bố liên quan đến kỹ thuật sắc ký miễn dịch trên Scopus, có hơn 88% công trình liên quan sử dụng chất chỉ thị là nano vàng [4]. Tuy nhiên, một trong những yếu tố quan trọng là làm sao đảm bảo đƣợc hoạt tính và độ ổn định của hệ nano vàng sau khi chức năng hóa; điều kiện gắn kết có ảnh hƣởng nhƣ thế nào đến tính chất quang của hệ mẫu trong khi vẫn đảm bảo khả năng tạo màu để có thể dễ dàng quan sát và nhận biết bằng mắt thƣờng. Trong một đề tài luận văn nghiên cứu gần đây, dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Trần Quang Huy, học viên Hoàng Long thực hiện thành công nghiên cứu chế 1
tạo nano vàng sạch bằng phƣơng pháp điện hóa [5]. Phƣơng pháp này đã góp phần đảm bảo đƣợc chất lƣợng của nano vàng do khả năng kiểm soát đƣợc độ sạch của nguyên liệu đầu vào cũng nhƣ sản phẩm đầu ra, có thể điều khiển đƣợc kích thƣớc hạt nano và chí phí thấp, đảm bảo đƣợc tính chất lí hóa và thân thiện với môi trƣờng, đặc biệt không có chất tồn dƣ độc hại trong sản phẩm. Để hƣớng tới những ứng dụng cụ thể của nano vàng chế tạo bằng phƣơng pháp điện hóa trong chẩn đoán nhanh tác nhân gây bệnh, đặc biệt là các tác nhân điển hình gây nhiễm trùng bệnh viện hay bệnh truyền nhiễm, với điều kiện trang thiết bị hiện có của phòng thí nghiệm và sự định hƣớng của Thầy hƣớng dẫn, tôi đã lựa chọn chủ đề "Nghiên cứu các đặc tính quang của hạt nano vàng được chức năng hóa để ứng dụng trong phát hiện vi khuẩn gây bệnh bằng phép đo màu" làm đề tài của luận văn. Mục tiêu nghiên cứu bao gồm - Chế tạo nano vàng sạch bằng phƣơng pháp điện hóa và phân tích các đặc trƣng quang của hạt nano vàng trƣớc và sau khi chức năng hóa với kháng thể ở các điều kiện khác nhau. - Thử nghiệm khả năng phát hiện vi khuẩn gây bệnh bằng phép đo màu sử dụng hạt nano vàng đã chức năng hóa. Phƣơng pháp nghiên cứu - Tập hợp tài liệu, tổng quan về khả năng ứng dụng nano vàng trong phát hiện tác nhân gây bệnh. - Thiết kế thí nghiệm để chế tạo nano vàng có kích thƣớc thích hợp bằng phƣơng pháp điện hóa. - Thực hiện các phép đo hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện tử quét (SEM), phân tích thành phần (EDX) … để khảo sát về hình thái, cấu trúc, thành phần hóa học của nano vàng chế tạo đƣợc. - Thực hiện các phép đo nhƣ nhƣ phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến (UV-vis) để khảo sát các đặc trƣng quang của hệ vật liệu. 2
- Thiết kế và chế tạo que thử sử dụng kỹ thuật sắc ký miễn dịch để đánh giá khả năng gắn kết nano vàng - kháng thể và khả năng phát hiện vi khuẩn tụ cầu vàng. - Phân tích đánh giá các kết quả thí nghiệm và viết luận văn BỐ CỤC LUẬN VĂN GỒM CÁC PHẦN Mở đầu Chƣơng 1: Cơ sở lí thuyết Trình bày tổng quan về công nghệ nano vàng và ứng dụng; quy trình chức năng hóa nano vàng với kháng thể, đề xuất vấn đề nghiên cứu mà luận văn sẽ giải quyết. Chƣơng 2: Phƣơng pháp thực nghiệm Trình bày về nguyên vật liệu, hóa chất và trang thiết bị thí nghiệm cần thiết; Quy trình chế tạo nano vàng; Phƣơng pháp khảo sát các trƣng lí-hóa của nano vàng nhƣ phổ hấp thụ (UV-Vis), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDX); quy trình chức năng hóa hạt nano vàng với kháng thể; thiết kế và chế tạo que thử nhanh dựa trên kỹ thuật sắc ký miễn dịch để phát hiện vi khuẩn tụ cầu vàng dựa trên phép đo màu. Chƣơng 3: Kết quả và bàn luận Các kết quả thực nghiệm và bàn luận về những ƣu nhƣợc điểm của kết quả đạt đƣợc. Các bảng, biểu đồ, hình về các đặc tính quang học của nano vàng trƣớc và sau chức năng hóa với kháng thể. Những số liệu thực nghiệm về khả năng phát hiện vi khuẩn gây bệnh bằng phép đo màu sử dụng hạt nano vàng đã chế tạo và chức năng hóa. Kết luận chung và kiến nghị Tóm tắt những kết quả nổi bật mà luận văn đã đạt đƣợc. Những kiến nghị của luận văn. 3
CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Tổng quan về nano vàng Vàng (Au) là một trong những kim loại quý điển hình, do vậy chúng không những thể hiện đầy đủ tính chất lý hóa của một kim loại mà còn có thêm một số tính chất đặc biệt. Trong bảng hệ thống tuần hoàn, Au có số thứ tự 79 và cấu hình điện tử Xe5d106s và Xe5d96s2 [6]. Nhờ sự linh động của các điện tử trong nguyên tử nên vàng có tính dẻo dai đặc biệt so với các kim loại khác. Ở trạng thái khối (bulk), vàng có màu vàng ánh kim, nhiệt độ nóng chảy lên tới 1.063,4 oC, nhiệt độ sôi 2.880 oC, dẫn nhiệt 310 W/m.K, dẫn điện: 40.107 Ω/m. Kim loại vàng rất bền dù ở trong điều kiện không khí khô hay có độ ẩm cao. Tuy nhiên, không giống nhƣ ở trạng thái vật liệu khối, vàng ở kích thƣớc nano có những tính chất rất đặc biệt nhất là hiệu ứng cộng hƣởng Plasmon bề mặt [6], [7] Au có cấu trúc tinh thể dạng lập phƣơng tâm mặt (Hình 1.1), mỗi nguyên tử liên kết với 12 nguyên tử xung quanh với hằng số mạng: 4,0786 Å. Hình 1.1. Cấu trúc lập phương tâm mặt tinh thể Au [8] 4
1.1.1. Tính chất của nano vàng a) Tính quang học Trong khi vàng ở dạng khối có màu vàng thì dung dịch chứa các hạt vàng ở kích thƣớc nano (1-100 nm) có màu sắc thay đổi từ hồng nhạt đến đỏ tía và tím than tùy theo kích thƣớc và nồng độ của hạt. Sự thay đổi màu sắc này là do hiệu ứng cộng hƣởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance - SPR). Khi ánh sáng tác động lên bề mặt hạt nano, các electron tự do của nguyên tử vàng bị kích thích và ngay lập tức tạo ra một điện từ trƣờng dao động, chúng bị dồn về một phía và tạo ra sự phân cực [2]. Sự dao động này đƣợc gọi là “plasmon” (Hình 1.2a). Hình 1.2. Tương tác của sóng điện từ với hạt nano vàng tạo ra hiện tượng cộng hưởng bề mặt (a) và đỉnh phổ hấp thụ theo kích thước hạt nano vàng (b) [2] 5
Hay giải thích một cách chi tiết hơn, hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt là sự kích thích các electron tự do bên trong vùng dẫn, dẫn tới sự hình thành các dao động đồng pha. Khi kích thƣớc một tinh thể kim loại nhỏ hơn bƣớc sóng của bức xạ tới sẽ xuất hiện hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt. Đối với hạt nano vàng dao động cộng hƣởng plasmon dẫn đến sự hấp thụ mạnh của ánh sáng vùng khả kiến. Điều này dẫn đến sự đổi thay của màu sắc của dung dịch nano vàng. Số lƣợng và vị trí của dải plasmon phụ thuộc chủ yếu vào kích thƣớc và hình thái của nano vàng. Đối với tinh thể kim loại, thông thƣờng những dao động này nhanh chóng bị dập tắt bởi sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể khi quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thƣớc. Tuy nhiên, khi kích thƣớc của kim loại nhỏ hơn quãng đƣờng tự do trung bình của ánh sáng kích thích sẽ không còn hiện tƣợng dập tắt mà điện tử sẽ dao động cộng hƣởng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano là do sự dao động tập thể của các điện tử trong vùng dẫn khi tƣơng tác với bức xạ sóng điện từ. Quá trình dao động nhƣ vậy sẽ dẫn tới sự phân bố lại các điện tử trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực tạo thành một lƣỡng cực điện. Chính vì thế, tần số cộng hƣởng xuất hiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là về hình dạng, kích thƣớc và độ lớn của hạt nano cũng nhƣ môi trƣờng xung quanh. Khi kích thƣớc hạt nhỏ ở dải hẹp, đỉnh hấp thụ ở vùng ánh sáng khả kiến hẹp và chỉ tạo ra một đỉnh duy nhất, tuy nhiên khi hạt càng lớn thì đỉnh hấp thụ càng bị lệch về phía bƣớc sóng dài (Hình 1.2b). Bằng mắt thƣờng cũng có thể quan sát thấy rằng, khi hạt ở kích thƣớc 5 – 50 nm, dung dịch có màu đỏ đậm (nhƣ rƣợu vang đỏ), nhƣng khi kích thƣớc lớn hơn (50-200 nm) màu sẽ chuyển từ đỏ tƣơi sang màu đỏ đục (Hình 1.3). 6
Hình 1.3. Sự thay đổi màu sắc của dung dịch nano vàng theo kích thước [9] b) Tính dẫn điện và nhiệt Tƣơng tự nhƣ các nano kim loại khác, do có mật độ điện tử tự do cao nên nano vàng có khả năng dẫn điện và nhiệt rất tốt. Hơn nữa, vàng không bị oxy hóa nên đƣợc ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp điện tử. Điện trở suất của vàng là 0,022 µΩ và độ dẫn nhiệt là 310 W/m.K ở 20°C. Nhiệt độ nóng chảy của nano vàng (Tm) phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể. Khi hạt nano tăng kích thƣớc, nhiệt độ nóng chảy sẽ tăng theo. Ví dụ: AuNPs kích thƣớc 2 nm có Tm = 500°C, với 6 nm có Tm = 950°C [10], [11]. Đặc biệt, vàng có khả năng chống ăn mòn cao so với các kim loại khác, chúng chỉ bị ăn mòn bởi hỗn hợp axit nitric và axit clohydric c) Khả năng tương thích sinh học Từ xa xƣa, vàng đã thể hiện là một trong những vật liệu có khả năng tƣơng thích sinh học cao, chúng là kim loại quý, đƣợc dùng làm đồ trang sức hoặc bọc răng. Trong y học cổ truyền, vàng có vị cay đắng, tính bình, có công dụng trấn tâm, an thần và giải độc. Theo Shukla và cs [12] các hạt nano vàng không gây 7
độc tế bào, làm giảm quá trình sản xuất các loại nitrite, oxy phản ứng và không làm phát sinh các cytokine tiền viêm TNF-alpha và IL1-beta . 1.1.2. Chế tạo nano vàng Có nhiều phƣơng pháp chế tạo nano vàng khác nhau nhƣ từ trên xuống (top-down) sử dụng các kỹ thuật vật lý để tách nano vàng từ vàng khối, hoặc phƣơng pháp từ dƣới lên (bottom up) bằng cách khử muối vàng [10]. Mỗi phƣơng pháp đều có những ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng liên quan đến chi phí chế tạo, độ sạch, kích thƣớc hạt và dải phân phân bố kích thƣớc hạt. Trong đó phƣơng pháp khử hóa học, đặc biệt là phƣơng pháp Turkevich đƣợc sử dụng phổ biến nhất [3]. Hạn chế lớn nhất của các phƣơng pháp này là chi phí cho muối vàng tinh khiết và kiểm soát chất tồn dƣ sau quá trình phản ứng. Phƣơng pháp vật lý cũng có thể chế tạo ra hạt nano vàng từ bia vàng sử dụng bắn phá chum laser, nhƣng chi phí cho các thiết bị này thƣờng đắt và ngƣời thí nghiệm phải đƣợc đào tạo một cách cơ bản để vận hành thiết bị [13]. Nano vàng còn đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp điện hóa [14], [15]. Hạt nano thu đƣợc bằng phƣơng pháp này có thể kiểm soát đƣợc độ tinh khiết do đƣợc chế tạo trong nƣớc cất 2 lần hoặc nƣớc khử ion, kiểm soát đƣợc vật liệu ban đầu, có khả năng điều khiển đƣợc kích thƣớc và chí phí thấp. Cũng giống nhƣ các phƣơng pháp điều chế khác, khó khăn lớn nhất của phƣơng pháp này là tìm đƣợc các điều kiện điều chế thích hợp để tạo ra hạt nano vàng và điều khiển đƣợc kích thƣớc nano của chúng theo mục đích sử dụng. Khó khăn thứ 2 liên quan đến nano vàng đó là việc chức năng hóa chúng với các phần tử sinh học hƣớng đích để cho các ứng dụng khác nhau trong y sinh. Một trong những yêu cầu quan trọng khi gắn kết đƣợc với các phần tử sinh học, đặc biệt là khi đƣa vào cơ thể ngƣời hay động vật thì các hạt nano vàng điều chế đƣợc phải có độ sạch cao, không lẫn với các tạp chất hay chất tồn dƣ có nguy cơ phá hủy các phần tử sinh học hay gây độc cho cơ thể. 8
Do vậy, nghiên cứu này đề xuất phƣơng pháp điều chế và chức năng hóa nano vàng sạch điều chế từ lá vàng khối bằng phƣơng pháp điện hóa không chỉ là việc khám phá ra phƣơng pháp chế tạo mới mà còn chủ động tạo ra nguồn cung nano vàng ổn định cho những ứng dụng trong điều trị và chẩn đoán mầm bệnh, đặc biệt là khi đƣa những vật liệu này vào trong cơ thể ngƣời hay động vật. 1.2 Chức năng hóa hạt nano vàng Nano vàng sau khi đƣợc chế tạo thƣờng không sử dụng trực tiếp trong các ứng dụng sinh học mà chúng cần đƣợc chức năng hóa với các phần tử thích hợp nhằm tăng cƣờng sự kết nối của chúng với các phân tử sinh học cũng nhƣ dẫn thuốc vào các tế bào một cách đặc hiệu. Trong một bài tổng quan gần đây, Tiwari và cộng sự [3] đã tổng hợp từ các công trình nghiên cứu về phƣơng pháp chức năng hóa nano vàng để tạo ra các nhóm chức khác nhau để ứng dụng trong y sinh (Bảng 1.1). Quá trình chức năng hóa có thể dựa trên việc sử dụng bất kỳ một nhóm hoặc kết hợp các nhóm nhƣ oligo- hoặc polyethylene glycol (PEG), albumin huyết thanh bò (BSA), oligo hoặc polypeptide, oligonucleotides, antisense hoặc phân tử RNA nhạy, kháng thể, thụ thể tế bào và các phân tử. Bảng 1.1 Một số phƣơng pháp chức năng hóa và ứng dụng của nano vàng STT Nhóm chức Ligands/phần tử mang Tính năng chính Ứng dụng năng 1 Polyethyl PEG với các phối tử nhƣ Thích ứng với màng tế Nhằm đƣa tới tế bào ene chất màu gắn với nhóm bào đích di động và nội bào, Glycol thiol nghiên cứu phân phối (PEG) sinh học 2 Nhóm SiRNA vận chuyển Phù hợp với công nghệ amine RNAi 9
3 Nhóm Proteins Tùy thuộc vào peotein carboxyl 4 Peptide Thụ thể bề mặt tế bào, Chuyển vị tế bào chất Di động vào nội bào, peptide ức chế amyloid + và hạt nhân, tá dƣợc, đại thực bào và cytokine peptide kháng thể, hƣớng tới các tế bào của các tế bào ung thƣ. oceptide peptide ung thƣ tƣơng tự của somatostatin 5 DNA Aptamer, PEGylated Hƣớng đích các tế bào Tạo ảnh sinh học, dẫn AuNPs- poly (β-amino ung thƣ tuyến tiền liệt, truyền gen ester), đã đƣợc xử lý siRNA, liên kết RNAi-quy định biểu ssDNA của gen RNA I, vớiRNA genantisense hiện gen vận chuyển, antisens DNA của p53 phát hiện các gen đặc Oligonucleotides hiệu 6 Liên hợp nano vàng – RNAi RNA RNA đa trị 7 Kháng thể ScFv Kích thƣớc nhỏ hơn, Điều trị và chẩn đoán Kháng thể kháng lại các tính trung thực của chất miễn dịch, ví dụ: kháng tác nhân gây bệnh khác gắn thể kháng aflatoxin nhau Phƣơng pháp chức năng hóa nano vàng có thể tóm tắt nhƣ sau: - PEG hóa (PEGylation) Đây là phƣơng pháp gắn kết một hoặc nhiều phân tử PEG vào một phân tử khác, đƣợc sử dụng phổ biến nhất để chức năng hạt nano vàng. Do có khả năng liên kết với màng tế bào và có thể hoạt động nhƣ một chất mang thuốc, AuNPs đƣợc PEG hóa phù hợp trong việc hƣớng đích tế bào và vận chuyển nội bào của vật liệu sinh học. AuNPs có thể đƣợc PEG hóa theo kiểu dị hợp và nhị phân, trong đó AuNPs đƣợc chức năng hóa với nhóm thioctic 10