Nghiên cứu chế tạo hạt Nano vàng bằng phương pháp ăn mòn Laser và triển vọng ứng dụng trong y sinh

Nguyễn Quang Đông và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 89(01/2): 331 – 335<br /> <br /> NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO VÀNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN LASER<br /> VÀ TRIỂN VỌNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH<br /> Nguyễn Quang Đông*, Nguyễn Bích Thảo, Trần Mạnh Hùng<br /> Trường Đại học Y Dược – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Trong bài báo này chúng tôi trình bày các kết quả thí nghiệm về chế tạo hạt nano vàng. Đây là<br /> phương pháp có thể tạo ra các hạt nano có độ tinh khiết cao. Các hạt nano vàng đã được tạo ra<br /> trong ethanol và PVP. Phổ hấp thụ của các hạt nano vàng được đo bởi máy quang phổ UV – VIS.<br /> Các phép đo TEM và quang phổ được thực hiện để xác định kích thước trung bình và phân bố kích<br /> thước của các hạt. Các hạt nano vàng đã được tạo ra có kích thước trung bình 12,9 nm trong<br /> ethanol và 14 nm trong PVP do sự hấp thụ cộng hưởng plassmon bề mặt khi sử dụng bước sóng<br /> 1064nm của laser Nd: YAG. Các kết quả này phù hợp với lý thuyết và cho thấy ưu điểm của<br /> phương pháp ăn mòn laser.<br /> Từ khoá: Hạt nano vàng, ăn mòn laser, cộng hưởng Plasmon<br /> <br /> ĐẶT VẤN ĐỀ*<br /> Trong những năm gần đây hạt nano vàng đã<br /> thu hút rất nhiều sự quan tâm chú ý của các<br /> nhà khoa học trên thế giới do những ứng dụng<br /> tiềm năng của nó trong nhiều lĩnh vực, đặc<br /> biệt là trong y, sinh học.<br /> Hạt nano được chế tạo bằng nhiều phương<br /> pháp như phương pháp khử hóa học, phương<br /> pháp khử vật lý, phương pháp khử hóa lý,<br /> phương pháp khử sinh học, phương pháp ăn<br /> mòn laser. Mỗi phương pháp đều có những<br /> ưu điểm riêng, tuỳ theo mục đích chế tạo mà<br /> có sự chọn lựa phương pháp phù hợp [1], [3]<br /> Trong thí nghiệm này chúng tôi chọn phương<br /> pháp ăn mòn laser. Phương pháp ăn mòn laser<br /> là một quá trình loại bỏ các vật liệu từ một vật<br /> liệu rắn (hoặc đôi khi ở dạng lỏng) khi chiếu<br /> lên bề mặt của nó một tia laser (Hình 1). Cơ<br /> chế hình thành và lớn lên của hạt nano khi ăn<br /> mòn kim loại bằng laser xung trong chất lỏng<br /> được giải thích bằng mô hình của Mafune và<br /> các cộng sự. Theo mô hình này chùm laser<br /> xung ăn mòn bia kim loại trong quá trình<br /> chiếu laser. Vật liệu ăn mòn, được gọi là đám<br /> vật chất (plume) tràn vào môi trường chất<br /> lỏng. Các hạt nhỏ như là các nguyên tử tự do<br /> hoặc cụm nguyên tử (cluster) va chạm với<br /> *<br /> <br /> Tel: 0974 974888<br /> <br /> nhau và tạo thành hạt trong quá trình ăn mòn.<br /> Trong vài xung đầu tiên, chỉ có môi trường<br /> chất lỏng bao quanh đám vật chất sinh ra và<br /> các mảnh kim loại trong đám vật chất này kết<br /> tụ tạo nên các hạt nano kim loại. Sau đó các<br /> hạt nano phân tán vào môi trường chất lỏng<br /> và những hạt này trở thành các tâm kết tụ cho<br /> các mảnh kim loại kế tiếp.<br /> Ở giai đoạn này có hai cơ chế đóng góp vào<br /> quá trình tạo hạt. Cơ chế thứ nhất là kết hạt<br /> trực tiếp của kim loại trong đám vật chất<br /> tương tự như trong giai đoạn đầu. Cơ chế thứ<br /> hai là sự thêm các nguyên tử hoặc cụm<br /> nguyên tử vào các hạt đã sinh ra trước đó và<br /> làm cho chúng tăng kích thước. Như vậy, khi<br /> cả hai cơ chế này xuất hiện sẽ dẫn đến phân<br /> bố kích thước mở rộng. Tốc độ tăng kích<br /> thước của các hạt nano tùy thuộc vào số hạt<br /> được tạo thành trong giai đoạn đầu và tính<br /> phân cực của phân tử môi trường chất lỏng.<br /> Trong chất lỏng, các hạt nano kim loại tích<br /> điện bề mặt. Do tương tác giữa các phân tử<br /> môi trường chất lỏng và các hạt nano tích<br /> điện bề mặt, một lớp điện tích kép bao quanh<br /> bề mặt các hạt nano. Các phân tử có momen<br /> lưỡng cực cao tạo nên liên kết mạnh hơn với<br /> bề mặt hạt nano do đó lực đẩy tĩnh điện nhờ<br /> bao bọc bởi lớp điện tích kép sẽ ngăn cản sự<br /> tăng kích thước hạt tốt hơn. Ví dụ, các phân<br /> tử phân cực như là nước tạo nên một lớp điện<br /> 331<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Quang Đông và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> tích kép mạnh bao quanh hạt nano vàng. Do<br /> tương tác điện giữa các mảnh trong đám vật<br /> chất và lớp điện tích này sự tăng kích thước bị<br /> hạn chế trong quá trình ăn mòn. Kết quả là<br /> các hạt nano kim loại được tạo thành. Tính<br /> phân cực thấp hơn của phân tử chất lỏng (ví<br /> dụ ethanol) tạo thành lớp điện tích kép yếu<br /> dẫn đến tăng kích thước hạt và kết tụ mạnh<br /> [2], [4].<br /> Sau khi ăn mòn, quá trình tạo hạt dừng lại và<br /> sự kết tụ vẫn tiếp tục. Tốc độ kết tụ tùy thuộc<br /> vào sự tương tác của phân tử môi trường chất<br /> lỏng với các nguyên tử bề mặt của hạt nano<br /> và tương tác giữa các hạt nano với nhau.<br /> Tương tác bề mặt giữa các hạt nano có thể tạo<br /> thành một dung dịch keo bền vững hay là<br /> phân tán, kết tụ, kết nối và tạo thành cấu trúc<br /> giống như dây. Trong khi đó tương tác giữa<br /> các hạt nano với nhau phụ thuộc vào lực đẩy<br /> và lực hút giữa chúng, ví dụ lực hút Van der<br /> Waals gây nên kết tụ và lực đẩy tĩnh điện nhờ<br /> bao quanh bởi lớp điện tích kép ngăn cản kết tụ.<br /> Xung Laser<br /> Thấu kính<br /> <br /> 89(01/2): 331 – 335<br /> <br /> phương pháp ăn mòn laser trong môi trường<br /> dung dịch cồn và PVP.<br /> THỰC NGHIỆM<br /> Để ăn mòn laser chúng tôi sử dụng bước sóng<br /> 1064nm của laser Nd:YAG (Quanta Ray Pro<br /> 230 USA) đặt ở chế độ Q-switching cho xung<br /> laser 8ns, tần số lặp lại 10Hz.<br /> Nhờ một hệ quang học, chùm laser được hội<br /> tụ lên bề mặt tấm kim loại Au đặt trong một<br /> cuvet chứa nước hoặc cồn. Hệ quang học<br /> được nghiên cứu, thiết kế có thông số và vị trí<br /> thích hợp, dễ dàng điều chỉnh và lặp lại vị trí<br /> chính xác.<br /> Để thay đổi vị trị ăn mòn trên bề mặt kim loại<br /> và hạn chế hiệu ứng kết tụ, cuvet chứa tấm<br /> kim loại được quay trong quá trình ăn mòn<br /> laser. Kim loại vàng được ăn mòn trong thí<br /> nghiệm này có độ tinh khiết 99.9% được gia<br /> công thành những miếng nhỏ có đường kính<br /> khoảng 1cm, độ dày 1 mm. Tấm vàng được<br /> quay trong quá trình ăn mòn laser bằng hệ<br /> xoay (9 vòng/phút). Các dung dịch được sử<br /> dụng là: cồn nguyên chất, PVP (hình 2).<br /> Lăng kính<br /> <br /> Nd:YAG laser<br /> <br /> Thấu kính<br /> <br /> Dung dich chất<br /> hoạt hoá bề mặt<br /> <br /> Dung dịch<br /> <br /> Miếng kim loại<br /> <br /> Khối kim loại<br /> <br /> Hình 1. Mô hình ăn mòn laser<br /> <br /> Phương pháp ăn mòn laser khá hữu hiệu để<br /> tạo ra các hạt nano của vật liệu bán dẫn và<br /> kim loại. So với các phương pháp khác,<br /> phương pháp ăn mòn laser là một phương<br /> pháp khá đơn giản, các hạt nano được chế tạo<br /> không bị nhiễm bẩn bởi chất khử, đặc biệt có<br /> thể điều khiển được kích thước hạt [5]<br /> Trong bài báo này chúng tôi trình bày về<br /> phương pháp chế tạo hạt nano vàng bằng<br /> <br /> Hệ xoay<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ hệ ăn mòn laser<br /> <br /> Phổ hấp thụ của các mẫu hạt nano Au được<br /> xác định bằng máy quang phổ UV-VIS 2450<br /> (Shimadzu). Các mẫu hạt nano Au tạo ra<br /> được khảo sát nhờ kính hiển vi điện tử truyền<br /> qua (TEM) JEM-1200EX (80 kV) tại Viện vệ<br /> sinh dịch tễ trung ương. Kích thước hạt nano<br /> <br /> 332<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Quang Đông và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Au được xác định bởi phần mềm1,37V của<br /> Wayne Rasband (USA). Phân bố kích thước<br /> của các hạt nano Au được xác định nhờ đo<br /> đường kính của hơn 700 hạt và sử dụng phần<br /> mềm Origin7.5.<br /> KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> Chế tạo hạt nano vàng trong Ethanol<br /> Chúng tôi chuẩn bị mẫu ethanol và tiến hành<br /> ăn mòn trong 15 phút với công suất laser<br /> trung bình là 400mW.<br /> * Phổ hấp thụ UV - VIS của hạt nano vàng<br /> Mẫu được đo ở dạng dung dịch màu. Mẫu sẽ<br /> được cho vào một cuvet còn cuvet thứ hai<br /> đựng chất so sánh ở đây là ethanol được sử<br /> dụng trong quá trình chế tạo mẫu. Sau khi<br /> cuvet được đặt vào gá mẫu sẽ được đưa vào<br /> buồng đo mẫu. Đậy kính nắp buồng đo mẫu<br /> để đảm bảo buồng đo mẫu là hoàn toàn tối<br /> không có ánh sáng bên ngoài lọt vào. Sau mỗi<br /> phép đo, cuvet được tráng dụng cụ bằng nước<br /> cất. Số liệu sẽ được lưu trữ dạng file text<br /> được xử lý bằng phần mềm origin 7.5. Các<br /> mẫu tạo được đã được đo bằng máy UV-2450<br /> tại Trung tâm khoa học vật liệu - Đại học<br /> Khoa Học Tự Nhiên. Hình 3. trình bày phổ<br /> hấp thụ của hạt nano vàng trong ethanol tinh<br /> khiết.<br /> <br /> 89(01/2): 331 – 335<br /> <br /> thành công hạt nano vàng. Điều này phù hợp<br /> với lý thuyết về đỉnh hấp thụ cộng hưởng<br /> plasmo bề mặt của các hạt nano vàng.<br /> * Xác định kích thước hạt nano vàng chế<br /> tạo được:<br /> Để xác định kích thước hạt cũng như sự phân<br /> bố kích thước hạt, chúng tôi tiến hành đo kích<br /> thước hạt vàng trong aceton tinh khiết bằng<br /> kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).<br /> Ảnh TEM của mẫu thu được như hình 4:<br /> <br /> Hình 4. Ảnh TEM hạt nano vàng trong ethanol,<br /> thời gian t=15 phút<br /> <br /> Quan sát trên hình 4, ta thấy các hạt nano<br /> vàng có kích thước nano với hình dạng gần<br /> với hình cầu. Phân bố kích thước hạt được thể<br /> hiện trên hình 5:<br /> <br /> Hình 3. Phổ hấp thụ của hạt nano vàng<br /> trong ethanol<br /> <br /> Từ hình 2, ta thấy sự xuất hiện của đỉnh phổ<br /> hấp thụ đặc trưng là 525 nm của hạt nano<br /> vàng, từ đó có thể khẳng định rằng đã chế tạo<br /> <br /> Hình 5. Phân bố kích thước hạt nano vàng trong<br /> ethanol<br /> <br /> 333<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Quang Đông và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Từ hình 5. ta thấy rằng các hạt nano vàng<br /> phân bố không đồng đều trong khoảng từ 5 –<br /> 20 nm. Kích thước trung bình của các hạt nano<br /> vàng được tạo ra trong ethanol là 12,9 nm.<br /> Chế tạo hạt nano vàng trong PVP<br /> Với cách làm tương tự, chúng tôi chuẩn bị<br /> mẫu PVP 0,005M và tiến hành thí nghiệm ăn<br /> mòn trong 20 phút với công suất laser trung<br /> bình là 400mW.<br /> * Phổ hấp thụ UV – VIS<br /> Phổ hấp thụ của hạt nano vàng trong PVP<br /> được thể hiện trên hình 6:<br /> <br /> 89(01/2): 331 – 335<br /> <br /> Bằng cách đo kích thước hạt vàng trong PVP<br /> khiết bằng kính hiển vi điện tử truyền qua.<br /> Ảnh TEM của mẫu thu được như hình 7:<br /> Quan sát trên hình 7, ta thấy các hạt nano<br /> vàng có kích thước nano với hình dạng gần<br /> với hình cầu. Phân bố khíc thước hạt được thể<br /> hiện trên hình 8:<br /> <br /> Hình 8. Phân bố kích thước hạt nano vàng<br /> trong PVP 0,005M<br /> <br /> Hình 6. Phổ hấp thụ của hạt nano vàng<br /> trong PVP 0,005M<br /> <br /> Từ hình 6, ta thấy xuất hiện đỉnh phổ hấp thụ<br /> đặc trưng là 522 nm của hạt nano vàng, từ đó<br /> có thể khẳng định rằng đã chế tạo thành công<br /> hạt nano vàng trong PVP.<br /> * Xác định kích thước hạt nano vàng chế<br /> tạo được:<br /> <br /> Hình 7. Ảnh TEM hạt nano vàng trong<br /> ethanol, thời gian t=15 phút<br /> <br /> Từ hình 8. ta thấy rằng các hạt nano vàng<br /> phân bố không đồng đều chủ yếu trong<br /> khoảng từ 5 – 25 nm. Kích thước trung bình<br /> của các hạt nano vàng được tạo ra trong<br /> ethanol là 14 nm.<br /> Triển vọng ứng dụng hạt nano vàng trong<br /> y sinh<br /> Hạt nano vàng được sử dụng trong y sinh học<br /> để đánh dấu tế bào. Nguyên tắc ứng dụng hạt<br /> nano kim loại quý trong đánh dấu tế bào như<br /> sau: hạt nano vàng được gắn kết với kháng<br /> thể đặc hiệu kháng tế bào ung thư, sau đó gắn<br /> lên mẫu bệnh có tế bào ung thư. Nhờ liên kết<br /> kháng nguyên - kháng thể đặc hiệu mà hạt<br /> nano gắn lên bề mặt của tế bào. Chiếu ánh<br /> sáng lên tế bào thì do khả năng tán xạ mạnh<br /> của hạt nano vàng mà các tế bào ung thư sẽ<br /> được phân biệt với các tế bào thường không<br /> có khả năng tán xạ. Kết quả cho thấy nếu<br /> không gắn với kháng thể kháng tế bào ung<br /> thư thì hạt nano vàng không gắn lên tế bào<br /> ung thư. Khi có kháng thể gắn với hạt nano<br /> vàng, hạt nano vàng bám lên các tế bào. Dưới<br /> ánh sáng hiển vi trường tối, các tế bào này<br /> phát sáng rất mạnh, khác biệt hẳn với các tế<br /> <br /> 334<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Quang Đông và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> bào khi không có hạt nano vàng gắn kết. Hơn<br /> nữa, bề mặt hạt nano vàng có thể kết hợp với<br /> phân tử thuốc, phân tử sinh học như DNA,<br /> các loại protein như enzyme, kháng thể cho<br /> nhiều ứng dụng y học khác nhau. Ngoài ra có<br /> thể nghiên cứu ứng dụng hạt nano vàng để<br /> phân tách tế bào, dẫn thuốc, nung nóng cục<br /> bộ… Hạt nano vàng cũng có khả năng diệt<br /> khuẩn được pha chế với rượu, tạo ra rượu<br /> nano vàng có chức năng phòng độc rất tốt.<br /> KẾT LUẬN<br /> Bằng việc nghiên cứu phương pháp ăn mòn<br /> laser để chế tạo hạt nano kim loại, chúng tôi<br /> đã chế tạo thành công hạt nano vàng trong<br /> ethanol và PVP. Thành công bước đầu này<br /> mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng các hạt<br /> nano vàng trong y học và sinh học.<br /> <br /> 89(01/2): 331 – 335<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1] Nguyen Thanh Dinh, Nguyen Quang Dong,<br /> Trinh Thi Hue, Vu Thi Khanh Thu, Pham Thi<br /> Thanh Van, Duong Thi Nguyet, Nguyen The Binh<br /> (2010) “Fabrication of metal nanoparticles by<br /> laser ablation”, Proceeding of the first Academic<br /> Conference on Natural Science for Master and<br /> PhD Students from Cambodia, Laos, Vietnam,<br /> Vientiane, Lao PDR 23-27/3/2010. VNU - HCM<br /> Publishing House 2010. pp 279 - 285<br /> [2] Fumitaka Mafune, Jun-ya kohno Yoshihiro<br /> Takeda, Tamotsu Kondow (2000), Journal of<br /> Physical Chemistry B, Vol. 104 No 35 8333.<br /> [3] R.M Tilaki,A.Iraji zad and S.M. Mahdavi (2007).<br /> Journal of Nanoparticle Research 9:853-860<br /> [4] K. Lance Kelly, Eduardo Coronado, Lin Lin<br /> Zhao, and George C. Schatz (2003) J. Phys. Chem.<br /> B, 107, 668-677<br /> [5] Jean-Philippe Sylvestre, Suzie Poulin, Andrei<br /> V. Kabashin, Edward Sacher, Michel Meunier,<br /> and Media (2004), J. Phys. Chem. B, 108, 16864 16869.<br /> <br /> SUMMARY<br /> RESEARCH, FABRICATION OF GOLD NANOPARTICLES BY LASER<br /> ABLATION AND PROMISING APPLICATIONS IN BIOMEDICAL<br /> Nguyen Quang Dong*, Nguyen Bich Thao, Tran Manh Hung<br /> College of medicine and farmacy - TNU<br /> <br /> We present experimental results related to laser ablation-based gold nanofabrication. This method<br /> makes possible the production of pure gold nanoparticles in biologically-friendly environment.<br /> Gold nanoparticles were produced in ethanol and PVP. The absorption spectra of gold<br /> nanoparticles were measured by a UV-VIS 2450 spectrometer. The TEM and spectral<br /> measurements were carried out to determine average size and size distribution. The average size of<br /> produced Au nanoparticles was reduced to 12,9 nm in ethanol and 14 nm in PVP by plasmon<br /> resonance absorption using wavelength 1064 nm of Nd:YAG laser. The experimental results were<br /> in good agreement with theory and showed advantages of the laser ablation method.<br /> Key word: Plasmon resonance, laser ablation, gold nanoparticles<br /> <br /> *<br /> <br /> Tel: 0974 974888<br /> <br /> 335<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br />