Nghiên Cứu Hiệu Ứng Quang Nhiệt Của Hạt Nano Vàng Định Hướng Ứng Dụng Trong Diệt Tế Bào Ung Thư.doc

Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
NGUYỄN VŨ ÁNH TUYẾT
NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG QUANG NHIỆT CỦA HẠT
NANO VÀNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG
DIỆT TẾ BÀO UNG THƯ
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Thái Nguyên – 2018
1

MỞ ĐẦU
Căn bệnh ung thư đang là vấn đề nhức nhối của ngành y học. Bệnh ung thư
và sức khoẻ cộng đồng là những vấn đề ngày càng được quan tâm ở hầu hết các
quốc gia trên thế giới. Theo ước tính và thống kê của Tổ chức y tế thế giới
(WHO) thì hàng năm trên toàn cầu có khoảng 9-10 triệu người mới mắc bệnh
ung thư và một nửa trong số đó chết vì căn bệnhnày.
Các con số về ung thư lúc nào cũng đáng sợ. Ung thư gây ra cái chết của 8,8
triệu người năm 2015. Khoảng 40% người Mỹ, vào thời điểm nào đó trong đời,
sẽ được thông báo mình bị ung thư.
Với người dân châu Phi, ung thư giờ là căn bệnh chết chóc hơn cả sốt rét.
Nhưng các con số thống kê vẫn chưa khiến người ta hết khiếp sợ bằng tính thầm
lặng và liên tục của những tế bào đột biến gây ra ung thư.
Hình mở đầu. Khối u và tế bào ung thư máu di căn
Tế bào ung thư đang gây cực kì nhiều nguy hiểm cho con người, cho cuộc
sống của chúng ta và khả năng điều trị căn bệnh quái ác này còn gặp nhiều khó
khăn và một số trường hợp thì gần như không thể chữa trị. Khi phải đối mặt với
một kẻ thù như vậy, thật dễ hiểu khi người ta tập trung hi vọng vào khả năng các
tiến bộ khoa học đột phá có thể tìm ra cách chữa trị. Hi vọng đó không phải đặt
nhầm chỗ.
Các phương pháp phẫu thuật, hóa trị và xạ trị thường được dùng để điều trị
ung thư. Phẫu thuật là cắt bỏ khối u ung thư, hóa trị là bơm hóa chất theo các
mạch máu để điều trị ung thư (cả hai phương pháp này đều không triệt để và gây
nguy hiểm cho người bệnh. Xạ trị là sử dụng phóng xạ để điều trị ung thư,
nhưng một lần xạ trị rất đắt đỏ có giá khoảng từ 50-60 triệu VNĐ.Tuy nhiên,
2

nhược điểm chung của cả ba phương pháp này là điều trị không chọn lọc, có nghĩa
là các phương pháp này diệt các tế bào ung thư nhưng đồng thời gây tổn thương lớn
đến tế bào lành, diệt cả tế bào lành lân cận và phá hủy hệ thống miễn dịch. Ví dụ
như bệnh ung thư vú phổ biến trên toàn thế giới hiện nay, phương pháp duy nhất để
diệt tế bào ung thư là cắt bỏ chúng, gây mất thẩm mĩ, thiếu nhân văn.
Song ung thư ngày càng trở nên bớt chết chóc hơn trong vài thập niên gần đây
nhờ vào hàng loạt tiến bộ khoa học, từ sắp xếp trình tự gen (genetic sequencing)
đến các liệu pháp điều trị trúng đích (targeted therapy). Vấn đề đặt ra là: cần diệt
trúng đích tế bào ung thư (TBUT) mà không diệt tế bào lành lân cận.
Ngày nay, với sự bùng nổ của khoa học công nghệ nano đã và đang cho nhân
loại những thành tựu vô cùng to lớn. Đặc biệt, các ứng dụng của công nghệ nano
vào khoa học sự sống ngày càng được phát triển rộng rãi, trong đó việc sử dụng
các vật liệu nano trong các ứng dụng Y-Sinh như tăng độ nhạy của chuẩn đoán
và điều trị hướng đích đang là một hướng nghiên cứu được nhiều phòng thí
nghiệm trên thế giới và trong nước quan tâm phát triển. Từ đó, tôi đã đưa ra ý
tưởng dùng công nghệ nano để ứng dụng trong việc diệt tế bào ung thư. Cụ thể
là dùng hiệu ứng quang nhiệt (quang biến đổi thành nhiệt) để đốtTBUT.
Tế bào lành thường sẽ sinh ra và chết đi nhưng TBUT chỉ nhân lên chứ
không thể chết đi. Tuy nhiên, TBUT chết ở nhiệt độ thấp nhất khoảng 40 độ C,
nên chỉ cần làm nóng cục bộ các hạt nano đến nhiệt độ đó là diệt được TBUT.
Các hạt nano vàng là ứng viên sáng giá cho sự lựa chọn này. Để đáp ứng vấn đề
đặt ra ở trên, các hạt nano vàng dạng tựa cầu với kích thước khoảng 100 đến 200
nano mét được lựa chọn nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt. Chúng ta biết rằng,
kích thước của tế bào ung thư vào khoảng vài micro mét đến vài chục micro
mét, do đó với các hạt nano vàng có thích thước từ vài chục đến vài trăm nano
mét thì nó dễ dàng được đưa hạt vàng vào khối u để tiếp cận vào tế bào ung thư.
Từ đó, dưới ánh sáng kích thích có bước sóng phù hợp, các hạt nano vàng sẽ hấp
thụ năng lượng ánh sáng tới và sinh nhiệt cục bộ xung quanh chúng dẫn đến diệt
tế bào ung thư một cách chính xác. Trên cơ sở đó, tôi lựa chọn nghiên cứu đề
tài: “ Nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của hạt nano vàng định hướng ứng dụng
trong diệt tế bào ung thư”.
3

Đề tài tập trung chủ yếu nghiên cứu trên các hạt nano lai hóa vàng bán
nguyệt với lõi là các hạt nano siêu thuận từ và vỏ là kim loại vàng. Báo cáo
ngoài phần mở đầu, gồm chương 1 giới thiệu tổng quan, chương 2 giới thiệu về
thực nghiệm chế tạo các hạt nano và phương pháp theo dõi đơn hạt. Chương 3
trình bày về kết quả và bàn luận. Cuối cùng là kếtluận.
4

Chương 1.TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về các hạt nano kimloại
Các hạt nano tinh thể kim loại gồm các hạt nano được chế tạo từ các vật
liệu kim loại như Au, Ag, Pt, Cu, Co, trong đó các hạt Au, Ag được sử dụng
nhiều nhất trong các ứng dụng quang. Có 3 phương pháp kích thích quang chính
được sử dụng để kích thích quang các hạt kim loạilà:
1) Kích thích trực tiếp các hạt nano kimloại
2) Kích thích gián tiếp thông qua các tâm mầu được gắn trên bề mặt hạt kim
loại
3) Các quá trình quang xúc tác trong hỗn hợp nano (nanocomposite)
bán dẫn-kimloại.
Khi được kích thích bằng ánh sáng tử ngoại hoặc nhìn thấy, các hạt nano kim
loại thể hiện một số hiện tượng hấp dẫn bao gồm: phát quang, quang phi tuyến và
tăng cường tán xạ Raman (Suface Enhanced Raman Scattering- SERS). Nhờ sự
tăng đáng kể tín hiệu Raman do hiệu ứng trường gần, SERS được sử dụng như một
công cụ phân tích cực nhạy, hơn cả kỹ thuật huỳnh quang. Các phân tử sinh học có
thể được ghi nhận với độ nhạy gấp 1000 lần nếu chúng được gắn với một hạt vàng.
Các hạt bạc cũng có nhiều ưu thế trong lĩnh vực này. Điều kiện chủ yếu của phép
đo SERS là giữ bề mặt mấp mô một cách đồng nhất và lặp lại [Luận văn Ths. Hòa].
Đối với vật liệu vàng, chúng được sử dụng từ 5000 năm trước công nguyên chủ yếu
dưới dạng khối nhờ vào độ bền hóa học và màu sắc rực rỡ trùng với màu của ánh
sáng mặt trời. Tới thế kỷ thứ 4 sau công nguyên các hạt vàng được tìm thấy trong
các cốc La mã Lycurgus ở hình 1.1 [1]. Bắt đầu từ khoảng những năm 1300 sau
Công Nguyên, hạt keo vàng bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong y học cũng như
trong kỹ thuật từ khi các nhà giả kim học có thể hòa tan được vàng khối vào các
chất khác để tạo ra các “chất lỏng mầu nhiệm” với các màu sắc khác nhau. Từ đó
tới nay, có thể tìm thấy các ứng dụng của các hạt keo vàng ở khắp nơi: trong nhà
thờ (kính mầu), bát đĩa sứ (mầu men), thuốc chữa bệnh…Nhờ vào các mầu sắc rực
rỡ của các dung dịch hạt vàng tùy thuộc vào hình dạng và kích thước hạt, người ta
có thể tạo ra các dung dịch với mầu sắc khác nhau theo ý muốn bằng cách khống
chế hình dạng và kích thước hạt[1].
5

Hình 1.1. Cốc Lycurgus. (a) Ảnh chụp cốc dưới ánh sáng phản xạ. (b) Ảnh chụp
cốc dưới ánh sáng truyền qua. (c) Hạt nano kim loại có vật liệu làm cốc thủy
tinh với kích thước khoảng 75nm.
Nhưng chỉ tới thế kỷ thứ 19, vào năm 1850 khi Faraday chế tạo các hạt
vàng và nhận ra rằng mầu sắc của dung dịch chứa hạt vàng được quyết định bởi
kích thước hạt, thì bản chất của các mầu sắc đó mới được làm sáng tỏ (hình 1.2).
Hình 1.2. Mầu sắc phụ thuộc vào kích thước của hạt nano vàng [1]
Năm 1897, Richard Zsigmondy một nhà hóa học người Đức đã chứng minh
được rằng màu đỏ tía của men sứ (thường gọi là màu Cassius) là sự kết hợp của
hạt keo vàng và axit Stannic. Nhờ phát minh này ông đã được giải Nobel năm
1925. Năm 1908 Mie đã giải thích các tính chất quang đặc biệt của hạt vàng do
hấp thụ và tán xạ plasmon bề mặt.
Tiếp theo đó, chúng ta quan sát thấy mầu sắc của dung dịch chứa các hạt
keonanovàngthayđổikhihìnhdạngcủachúngthayđổi.Điềunàyđượcgiải
6

thích bởi lý thuyết Gans. Khi hình dạng của hạt nano dạng cầu (có tính đối xứng
cao nhất) thì phổ hấp thụ plasmon của chúng chỉ có một đỉnh duy nhất, khi tính
đối xứng của hình dạng hạt giảm thì số đỉnh phổ hấp thụ này tăng lên. Ví dụ như
hạt nano vàng dạng thanh có hai đỉnh phổ hấp thụ Plasmon. Vị trí của đỉnh phổ
tùy thuộc vào tỷ số giữa hai trục (ngang và dọc) của hạt nano (xem hình 1.3).
Hình 1.3. Sự phụ thuộc phổ hấp thụ plasmon bề mặt vào kích thước của thanh
nano vàng với các tỷ lệ tươngquan: R2,7, R3,3
Trong phần này, tôi sẽ mô tả các thuộc tính quang học của một số vật liệu
cao quý vàng, có đặc tính plasmonic. Đối với các hạt nano kim loại quý này và
kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng kích thích, các thuộc tính quang học bị
chi phối bởi các mode cộng hưởng của plasmon liên kết cục bộ với tập thể các
electron dẫn gây ra bởi sự tương tác với sóng điện từ. Ví dụ, với các hạt nano
bạc hoặc vàng có các tính chất plasmonic thú vị nhất trong vùng thể nhìn thấy và
vùng hồng ngoại gần. Sự trơ về mặt hóa học và sự tương thích sinh học của vàng
làm cho nó trở thành yếu tố ưa thích trong ứng dụng y sinh học, như chúng ta sẽ
thấy chi tiết trong các phần tiếptheo.
1.1.1 Các hạt nano vànglõi-vỏ
Từ những phân tích trên đây, các hạt nano vàng có cấu trúc lõi/vỏ (lõi là hạt
silica, vỏ là vật liệu vàng) có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y-sinh học do các đặc
trưng quang học lý thú của nó. Loại hạt nano này cũng đã được nhiều nhóm trên thế
giới tập trung nghiên cứu chế tạo và ứng dụng nó trong các lĩnh vực khácnhau.
Các hạt nano vàng lõi/vỏ là các hạt nano hình cầu được tạo thành của một lõi
điện môi được phủ một lớp vỏ kim loại mỏng mà thường làm bằng vàng (xem
hình 1.4). Các hạt nano vàng lõi/vỏ có nhiều hơn một cộng hưởng plasmon có
7

bước sóng phụ thuộc mạnh vào kích thước và tỷ số tương đối giữa kích thước lõi
và độ dày lớp vỏ vàng. Hình 1.4 cho thấy các phổ dập tắt của các hạt lõi/vỏ với
độ dày vỏ khác nhau. Bằng cách thay đổi độ dày của vỏ, phổ cộng hưởng
plasmon của hạt nano vàng lõi/vỏ có thể thay đổi qua một dải rộng quang phổ
rộng từ vùng nhìn thấy đến hồng ngoại gần [2]. Trong vùng hồng ngoại gần
(Near Infrared - NIR), sự hấp thụ của các mô thường là nhỏ nhất-được gọi là cửa
sổ trị liệu (Window of therapy).
Hình 1.4. Mô hình hạt nano vàng lõi/vỏ (lõi slica, vỏ vàng) và Phổ quang dập tắt
tươngứng.
Hình 1.5 mô tả ảnh chụp các dung dịch hạt keo nano vàng lõi/vỏ với các độ dầy
giảm dần từ trái qua phải tương ứng với phổ hấp thụ Plasmon từ vùng khả kiến
đến vùng hồng ngoại gần.
Tần số cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) được xác định bởi mức độ khớp nối
giữa các mode dao động ở bề mặt trong và ngoài kim loại, hoặc tương đương tỷ
8

số giữa độ dày lớp vỏ và bán kính lõi trung bình. Phổ dập tắt của hạt nano lõi/vỏ là
lai hóa các dao động cộng hưởng plasmon bên trong và bên ngoài của vỏ kim loại.
Một lý thuyết lai ghép các mô hình plasmon đã được phát triển bằng các thuật toán
với lý thuyết lai ghép của các orbital phân tử [3]. Sự cộng hưởng quang học có thể
được định vị ở bất cứ nơi nào trong phổ nhìn thấy và hồng ngoại gần [4].
Hình 1.5. Ảnh chụp dung dịch chứa các hạt keo nano vàng lõi vỏ với độ dầy
giảm dần từ trái qua phải. Phổ hấp thụ Plasmon nằm trong vùng khả kiến và
hồng ngoại gần.
Thay vì cộng hưởng plasmon đơn của các hạt nano kim loại hình cầu thì hạt
nano vỏ/lõi có hai đỉnh cộng hưởng tương ứng với các các mode mặt đối xứng
và không đối xứng. Các tính chất của lõi điện môi và môi trường xung quanh
cũng làm thay đổi các đáp ứng plasmonic. Để chế tạo các hạt nano loi/vỏ người
ta chủ yếu sử dụng phương pháp Stober [5], trong đó các alkyl silicat được thủy
phân thành axit trong một dung dịch cồn để tạo ra lõi điện môi của các hạt nano
lõi/vỏ (xem hình 1.6). Hình 1.6 là ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của
các hạt nano lõi/vỏ vàng trong quá trình phát triển lớp vỏ vàng. Sau đó, 3-
aminopropyltriethoxysilan được thêm vào dung dịch dẫn đến sự phát triển của
một lớp amin trên bề mặt của hạt nano silic. Sau đó, keo vàng được đưa vào
dungdịch.Hạtnanovàngcóthểdễdàngliênkếtvớicácphốitửaminvớilớp
9

phủ khoảng 30%. Cuối cùng, một hỗn hợp của axit clohiđric và kali cacbonat
được khử natri borohydrit để phát triển một vỏ vàng đồng nhất từ hạt keo vàng.
Cơ sở keo silica-amin-vàng có tính mô đun và có hiệu quả đủ để áp dụng cho
các kim loại chuyển tiếp khác như bạc. Có thể thấy, các hạt nano lõi/vỏ vàng ít
ổn định nhiệt động học hơn so với các hạt nano cầu chuẩn. Các hạt nano này đặc
biệt hữu ích trong việc hiện ảnh tế bào vì các cộng hưởng plasmon cho phép
ghép kênh phức hợp, và bề mặt của chúng có thể dễ dàng hợpsinh.
Hình 1.6. Ảnh TEM biểu diễn quá trình phát triển của hạt nano vàng lõi/vỏ (lõi
là hạt điện môi silic 120 nm, vỏ vàng. (a) - Các hạt nano silic. (b)-(f) Quá trình
tiến triển của lớp vỏ vàng trên bề mặt hạt silic. f) Ảnh TEM của hạt nano lõi/vỏ
vàng sau khi đã hoàn thành việc chế tạo.
1.1.2 Các hạt nano vàng bánnguyệt
Gần đây, nano bán nguyệt (hoặc nano lưỡi liềm) là một khái niệm xuất hiện
trong lĩnh vực các đầu dò nano plasmonic được thực hiện bởi nhóm BioPOETS
(biomoléculaire Polymer tech-nologie optoélectronique et de la Science) ở Khoa
Kỹ sư sinh học do giáo sư Luke Lee của Đại học Berkeley đứng đầu [6]. Các hạt
nano bán nguyệt gồm một hạt cách điện (ví dụ: hạt polystyrene hoặc hạt latex),
hoặc các hạt có thể dễ dàng “bóc” ra khỏi lớp vỏ hay các hạt được chức năng
hóa (như hạt nano từ, hạt nano huỳnh quang). Hình 1.7 thể hiện ảnh TEM của
một hạt nano bán nguyệt.
Hình 1.7. (a) Ảnh TEM của một đầu dò nano dùng cho ứng dụng trong tăng
trưởng tán xạ Raman bề mặt (SERS- surface enhanced raman scattering), phần
lõi của hạt đã được bóc ra. (b) Hình ảnh được mô phỏng của trường điện từ
(EM-Electrical mangetic) ở tần số cộng hưởng Plasmon dưới kích thích của ánh
sáng tới [7].
10

Cũng như trong phần hạt nano lõi vỏ, tính chất plasmonic của các hạt nano
bán nguyệt được quy định bởi sự tương tác điện tích bề mặt dẫn đến kích thích
các electron dẫn. Thay đổi đường kính trong và ngoài của hạt nano có thể thay
đổi đáng kể tính chất quang học của nó và dẫn đến có thể dịch chuyển cộng
hưởng plasmon. Sự bất đẳng hướng của hình dạng gây ra sự bất đẳng hướng về
quang học ở cộng hưởng plasmon cũng như sự bổ sung phức hợp trong các chế
độ lai hóa plasmonic. Hình dạng thay đổi của lớp vỏ kim loại cho phép tăng mức
độ tự do có sẵn để thay đổi quang phổ. Ngoài ra, trường EM đặc biệt tăng ở
vòng tròn mở của lớp kim loại. Dọc theo trường từ, hiệu ứng khuếch đại EM
được tạo ra mạnh bởi sự kết hợp giữa hiệu ứng điểm và cộng hưởng plasmon.
Hình 1.7b cho thấy hình ảnh (cartography) mô phỏng của trường điện từ (EM) ở
chế độ kích thích cộng hưởng plasmon [34]. Sự gia tăng hơn 15dB tại vòng lưỡi
liềm được quan sát rất rõ ràng. Sự khuếch đại cục bộ của trường này có thể quan
sát được hiệu ứng quang phi tuyến là rất quan trọng (ví dụSERS).
Quy trình chế tạo các hạt nano bán nguyệt được phát triển đầu tiên bởi
nhóm của GS. Luke Lee [7]. Hình 1.8 là hình vẽ mô tả nguyên lý chế tạo các
đầu dò nano. Lớp vỏ kim loại được phủ trên một hạt nano cầu đã đặt sẵn trên
một đế bằng phương pháp bốc bay (có thể bốc bay bằng chùm điện tử, bốc bay
bằng nhiệt điệntrở,..)
Hình 1.8. Hình vẽ mô tả quy trình chế tạo các đầu dò nano bán nguyệt
(hoặc lười liềm)
Bằng phương pháp này, công nghệ đòi hỏi đế đặt mẫu trong một buồng chân
không cao. Vật liệu kim loại có thông thường được bốc bay theo 2 cách: từ trên
xuống hoặc từ dưới lên. Các vật liệu được đặt trong các nồi khác nhau trong
buồng chân không, do đó dễ dàng tạo ra được các hạt nano với nhiều lớp nhau.
Sau khi bốc bay được các lớp kim loại như mong muốn, trên đế có thể các hạt
11

nano được làm tan ra nhờ phương pháp hóa học hoặc có thể dùng bút lông để tách
hạt nano ra (gọi là “lift off”. Đây là công nghệ chế tạo hạt nano bằng phương pháp
vật lý. Thực tế rằng, thông thường phương pháp bốc bay là để tạo ra các màng
mỏng kim loại. Tuy nhiên, với cách cải tiến bằng cách đặt sẵn các hạt nano cầu trên
đế chúng ta có thể tạo ra các hạt nano bán nguyệt có các lớp kim loại khác nhau
như mong muốn. Thêm vào đó, các hạt nano lõi cũng có thể dễ dàng được thay đổi
(hạt cách điện, hạt nano từ, hạt latex, hạt phát huỳnh quang,..) đồng thời lớp vỏ
cũng dễ dàng thay đổi vật liệu tương ứng. Tùy theo mục đích nghiên cứu và ứng
dụng mà có thể tạo các lớp vỏ có tính chất từ tình (bốc bay sắt), hoặc lớp vỏ có tính
chất quang (vỏ là vàng, bạc,..) hoặc đồng thời cả tính chất từ, và quang. Đó chính là
lợi thế của phương pháp này để tạo ra các đầu dò nano lai hóa. Nhờ vào các hạt
nano từ mà chúng có thể được “dẫn đường” dễ dàng nhờ vào từ trường ngoài (dùng
nam châm chẳng hạn), và chúng cũng có thể dễ dàng được quan sát nhờ vào các
tính chất quang (quan sát dưới kính hiển vi trường tối) do sự tán xạ Plasmon bề
mặt. Thêm một lợi thế nữa của phương pháp này là khả năng ứng dụng trong y
sinh. Các đầu dò nano lai hóa sau khi được chức năng hóa hoặc chính các lõi nano
cầu có khả năng phát quang (fluorescence) mà có thể được sử dụng trong việc phát
hiện, trong đánh dấu, hiện ảnh các tếbào.
Hình 1.9. Tín hiệu huỳnh quang cho các trường hợp định hướng khác nhau
của các đầu dò nano bán nguyệt [7]. Ảnh 3-hạt nano phát quang được “bật”, ảnh
4-hạt nano phát quang ở vị trí giữa nên cường độ phát quang trung bình và ảnh
5-hạt nano phát quang “tắt” nên tín hiệu bị biến mất.
1.2 Một số phương pháp chế tạo các hạt nanovàng
Trong đề tài này, tôi chủ yếu tập trung vào nghiên cứu các hạt nano vàng, do
đó phần này sẽ giới thiệu một số phương pháp chế tạo các hạt nano vàng. Nhìn
chung, các hạt nano vàng có thể được chế tạo bằng hai phương pháp chủ yếu, đó
là phương pháp hóa học và phương pháp vật lý. Tùy theo hình dạng, kích thước,
12

cấu trúc và đặc điểm của hạt nano mà lựa chọn được phương pháp chế tạo
phù hợp.
Đối với các hạt keo nano vàng, thông thường chúng được chế tạo bằng
phương pháp hóa học. Các hạt nano vàng có thể được chế tạo bằng cách khử
hydro tetraclorua vàng (HAuCl4). Sau khi hòa tan HAuCl4 trong nước dung dịch
được khuấy từ nhanh trong khi thêm tác nhân khử vào. Do đó Au3+
bị khử thành
ion vàng một cộng (Au+
) và nhanh chóng trở thành nguyên tử vàng, vàng bắt
đầu dần dần kết tủa dưới dạng hạt nhỏ hơn nano mét và lớn dần cho tới khi dung
dịch trở nên siêu bão hòa. Nếu dung dịch được khuấy từ đủ mạnh thì các hạt sẽ
có kích thước đồng đều. Một trong các phương pháp đó là: Phương pháp
Turkevitch (phương pháp chủ yếu tạo các hạt nano dạng cầu), phương pháp
Brust, phương pháp siêuâm,..
Để tạo các hạt keo vàng với các hình dạng khác nhau người ta thường sử
dụng phương pháp tạo mầm (Seeding Growth). Đầu tiên người ta tạo mầm là các
hạt vàng dạng cầu cỡ 4 nm sau đó người ta cho dung dịch mầm vào muối kim
loại, tùy vào tỷ lệ mầm và muối kim loại và thời gian phản ứng mà các hạt nhận
được sẽ có hình dạng theo ý muốn. Cuối cùng, để tạo các hạt dạng thanh (rod)
người ta gắn các chất ổn định lên một phía của hạt trong dung dịch muối kim
loại. Phản ứng tạo vàng sẽ tiếp tục ở phía không được gắn chất ổn định và kết
quả nhận được là các thanh keo vàng. Ngoài các phương pháp chế tạo các hạt
keo vàng thuần (pure) nêu trên, người ta còn chế tạo các hạt silica bọc vàng kích
thước vài trăm nm để dùng làm chất phản quang hoặc trong các thí nghiệm tiêu
diệt các tế bào bệnh bằng hiệu ứng quangnhiệt.
Bên cạnh các phương pháp hóa học nói trên, các hạt nano kim loại vàng có
thể còn được chế tạo bằng phương pháp vật lý, như: phương pháp bắn phá bằng
tia laser, phương pháp bốc bay (bốc bay nhiệt, bốc bay bằng chùm điện tử), hay
dùng plasma để tạo ra các hạt nano vàng,...
1.3 Hiệu ứng quangnhiệt
Nguyên lý chung của hiệu ứng quang nhiệt là khi có sự kích thích của ánh
sáng tới, các điện tử trong hạt nano sẽ hấp thụ năng lượng và dao động, sau đó
năng lượng của dao động của điện tử sẽ chuyển biến thành nhiệt khi tương tác
với các dao động mạng tinh thể. Nhiệt sẽ khuếch tán khỏi hạt nano ra xung
quanhdẫnđếnnhiệtđộởmôitrườngxungquanhhạttănglên.Quátrìnhsinh
13

nhiệt trở nên đặc biệt mạnh trong trường hợp các hạt nano kim loại trong chế độ
cộng hưởng plasmon. Ở tần số cộng hưởng plasmon, các hạt nano trở thành các
nguồn nhiệt và có thể được điều khiển từ xa.
Trong phần này, chúng ta xét một nguồn nhiệt dạng cầu trong một môi trường
đồng nhất. Đặc biệt, chúng ta muốn thiết lập nhiệt độ tăng lên như chúng ta mong
đợi khi hệ ở trạng thái dừng. Đã có một số nghiên cứu khá đầy đủ về vấn đề này
[8]. Chúng ta xét một nguồn nhiệt (S) dạng cầu, bán kính R, có hệ số dẫn nhiệt
, nhiệt dung riêng và mật độ công suất trung bình trong thể tích (được bao
quanh bởi S) là P. Nguồn S được đặt trong môi trường đồng nhất (M) và được
xác định bởi hệ số dẫn nhiệt môi trường và nhiệt dung thể tích đó là
. Giả sử và là nhiệt độ của (S) và (M) tương ứng. phụ thuộc vào
khoảng cách từ nguồn (S) và do đó không phân tán (P=0), do đó . Từ
đây thiết lập phương trình dẫn nhiệt cho hai môi trường (S) và (M). Trong
trường hợp (S), phương trình chuyển đổi thành nhiệt được cho bởi[9]:
(1)
Với là mật độ dòng nhiệt nhật được từ biến đổi: . Biểu thức này cho
phép xác định trong (1), từ đây chúng ta nhận được phương trình dẫn nhiệt cho
nguồn(S):
(2)
Phương trình dẫn nhiệt của (M) được xác định thuần nhất, tại P=0 trong (M)
tức là không hấp thu năng lượng:
(3)
Chúng ta muốn giải phương trình này ở trạng thái dừng, nghĩa là . Trong
trường hợp này, xét trong hệ tọa độ cầu gắn với (S) và gốc tọa độ trùng với tâm
(S). phương trình (2) và (3) diễn tả dưới dạng:
với
với (4)
14

Giải phương trình này được:
với
với (5)
Trong đó , , et là các hằng số của nguyênhàm.
Nhận xét.
i) Nếu r tiến đến vô cùng thì tiến đến ở đó .
ii) Do sự đối xứng của tọa độ cầu nhiệt độ ở tâm của (S), nghĩa là r=0 thỏa
mãn: . Điều kiện này làm cho .
iii) Như đã trình bày ở trên cho trạng thái dừng, năng lượng phát ra từ S phải
bằng năng lượng đi vào của nó (nếu không thay đổi). chúng ta có thể
triểnkhaiýtưởngrằng,đốivớir=R,mậtđộdòngtạimặt(S)là (nghĩa là
năng lượng truyền trong một đơn vị diện tích trên bề mặt ra môi trường (S)-
(M), từ (S) đến (M), trong một đơn vị thời gian) tương đương với dòng nhiệt
từ (M) . Ta đặt và .
ở đó:
,
Và (6)
Chúng ta nhậnđược
iv) Cuối cùng, khi r=R, các nhiệt độ và trở nên tương đương (nó được coi
nhiệt độ là liên tục ở biên giữa (S) và (M), nói cách khác, điện trở tiếp
xúccủagiaodiệnnàyđượcbỏqua).Tathaycáchằng , và đãnhậ
n được ở trên để tìm c2 :
(7)
Do đó ta thuđược
15

Từ đây, chúng ta có thể đưa ra biểu thức biểu diễn và :
với
với rR (8)
Hình 1.10. Hình vẽ biểu diễn một hạt nano dạng cầu dưới kích thích của ánh
sáng tới. (a) hình vẽ thiết kế 1 hạt nano dạng cầu được làm nóng bởi ánh sáng
chiếu đến. (b) các đường bao biểu diễn nhiệt độ theo khoảng cách từ tâm hạt
nano cho các kích thước khác nhau trong nước với cùng một công suất quang
chiếu P = 40 kW/cm2
.
Từ hình 1.10 cho thấy một cách đơn giản mô phỏng quá trình chuyển đổi
quang thành nhiệt của hạt nano dưới kích thích của ánh sáng tới.
Biểu thức (8) diễn tả nhiệt độ tại một điểm (khoảng cách r) trong môi trườnghạt
nano bán kính R dưới kích thích quang học có công suất P, To là nhiệt độ khi xét
ở xa vô cực (r->∞) hay chính là nhiệt độ phòng. Chúng ta có thể viết lại biểu thức
này dưới dạng thể tích của hạt nano. Do hạt mà ta quang tâm là dạng cầu, vì vậy
dễ dàng việt lại được dưới dạng thể tích Vnp, khiđó:
với (9)
Đường profil của nhiệt độ tỷ lệ với 1/r. Biến thiên của nhiệt độ lớn nhất khi r
nhỏ nhất, nghĩa là tại bề mặt của hạt nano )
Suyra với (10)
Công thức này là quan trọng, nó có thể giúp cho việc tìm thăng giáng nhiệt độ
tại một điểm trong môi trường chứa hạt nano khi có kích thích quang phùhợp.
16

1.4 Chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (chuyển độngBrown)
Các luật cơ bản của chuyển động dịch chuyển Brown đã được thiết lập bởi
Einstein và sau Perrin là người phát triển sâu và đầy đủ hơn [10]. Chuyển động
Brown của một hạt rắn trong môi trường có độ nhớt η(T) được đặc trưng bởi
một tập hợp các tham số bất thường do kích động nhiệt. Xét các hạt nano có
dạng tựa cầu. Các luật cơ bản của chuyển động Brown của một quả cầu nhỏ tự
do đắm mình trong một chất lỏng cho phép xác định các vị trí dịch chuyển của
một hạt theo thời gian dài so với khoảng thời gian giữa hai "cú sốc". Chúng ta
xét một hạt nhỏ chuyển động Brown mà trong quá trình di chuyển nó bị bắn phá
từ mọi phía bởi các phân tử của môi trường xung quanh do kích động củanhiệt.
Sau mỗi khoảng thời gian, khoảng cách trung bình của hạt tại điểm tìm thấy
nó là bao nhiêu?. Chúng ta thấy rằng bình phương dịch chuyển trung bình tỷ lệ
với thời gian. Điều này có thể viết theo công thức dưới đây trong n chiều.
(11)
ở đó D là hệ số khuếch tán dịch chuyển, τ là thời gian trôi của hạt dạng
cầu.
Để xác định D, chúng ta có thể viết các lực cân bằng tác dụng lên hạt
bằng cách xem hạt chịu tác dụng của ma sát nhớt tỷ lệ thuận với tốc độ. Sự cân
bằng của các lực đó có thể như sau (theo một chiều), được gọi là phương trình
Langevin:
(12)
Ở đó, là ngoại lực tác dụng lên hạt trong môi trường, là vận tốc
theo , là hệ số ma sát, giá trị của có thể được xác định trực tiếp từ thựcnghiệm.
Nhân 2 vế của phương (12) với và lấy trung bình, ta nhận được:
(13)
Với do tính chất đối xứng,
Vì vậy:
17

(14)
Ta nhận được:
(15)
Với vận tốc bình phương trung bình theo .
Chúng ta biết rằng, ở điều kiện cân bằng nhiệtđộng:
Với là hằng sốBoltzmann.
Ở đó
(16)
Công thức này có thể tổng quát hóa cho n chiều, ta có :
(17)
Chúng ta có thể nhận được mối liên hệ theo hệ số khuếch tán dịch chuyển,
hệ số nhớt của môi trường và nhiệt độ từ các phương trình (11) và (17):
(18)
Đối với các hạt hình cầu, có thể chứng minh được công thức liên hệ
giữa hệ số ma sát với bán kính R của hạt và độ nhớt chất lỏng theo:
(19)
Cuối cùng, đối với hạt hình cầu, chúng ta nhận được công thức Einstein-
Stokes:
(20)
Trong công thức này, bán kính của hạt thực chất là bán thủy động lựchọc
–là bán kính hình học của hạt màbị giới hạn bởi một lớp giới hạn của môi
trường quay quanhhạt.
Từ đây ta có thể viết lại công thức bình phương dịch chuyển trung
bình theo hệ số khuếch tán:
(21)
18

-Xét trong không gian 3 chiều:
r2
 6Dt (22)
r2
 4Dt (23)
r2
 2Dt (24)
1.5 Ứng dụng của hạt vàng trong ysinh
Hiện nay, hạt nano vàng có nhiều ứng dụng trong y sinh học. Một trong các
ứng dụng lý thú nhất đó là:
1) Ứng dụng để làm Tăng trưởng tán xạ Raman (Surface Enhanced Raman
Scattering- SERS): tín hiệu Raman của các phân tử ở trên bề mặt của hạt vàng
tăng lên hàng nghìn lần do tương tác của plasmon bề mặt của hạt vàng với các
trạng thái điện tử của phân tử. Ứng dụng hiệu ứng này làm đầu dò đơn phân tử
(single molecul detection). Ngoài ra còn có hiệu ứng tăng trưởng tín hiệu huỳnh
quang của các phân tử trên bề mặt của hạt vàng. Hiệu ứng này cũng được ứng
dụng trong các thí nghiệm đánh dấu sinhhọc.
2) Làm các sensơ sinhhọc
Phổ hấp thụ của hạt vàng rất nhạy với môi trường xung quanh nó, có nghĩa là
các phân tử liên kết với hạt vàng gây ra sự thay đổi mầu do sự dịch đỉnh của hấp
thụ plasmon. Thí dụ: làm sensơ DNA, sự có mặt của DNA làm đổi mầu của các
hạt nano từ mầu đỏ sang mầu xanh được ứng dụng làm các phép thử nhanh phát
hiện bệnh như thử thai nghén, thử bệnh bằng nước bọt.
3) Hiện ảnh các tế bào ung thư: các hạt vàng được sử dụng như các chất
đánh dấu tế bào ung thư hoặc chất phản quang (contrast agent). Cách này tạo
được nguồn tín hiệu mạnh từ các mô ung thư cho các đặc điểm về phân tử cũng
như giải phẫu củabệnh
4) Điều trị ung thư bằng quang nhiệt (photothermal therapy): sử dụng laser
để cắt bỏ tế bào ung thư. Hệ số hấp thụ nhiệt sinh ra do cộng hưởng hạt Aucao.
- Hiện ảnh và điều trị bằng hồng ngoại đi sâu vào cơ thể với các hạt SiO2bọc
vàng đường kính vài trăm nm có đỉnh tán xạ SPR nằm trong vùng hồng ngoại.
Sử dụng các thanh nano (rod) vàng, các nano vàng lõi vỏ và các nano vàng bán
19

nguyệt,.cóthiếtdiệntánxạlớntrongvùnghồngngoại.Đâylàphươngpháp
20

hiện ảnh và điều trị ung thư in vivo và rất nhạy đang được tập trung nghiên cứu
trên thế giới [11].
- Vận chuyển thuốc: thường dùng các hạt vàng ~30 nm. Hiệu ứng tán xạ
plasmoncộng hưởng trên bề mặt hạt vàng cho phép sử dụng hiện ảnh cả với ánh
sáng trắng ở kính hiển vi thường, điều mà các chất đánh dấu khác không làm được.
Chương 2. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO HẠT NANO VÀNG BÁN NGUYỆT
VÀ ĐO PHỔ TÁN XẠ PLASMON
Trong chương này này tôi tập trung vào trình bày phần thực nghiệm chế tạo
các đầu dò nano vàng lai hóa dạng bán nguyệt và các phép khảo sát các tính chất
của nó như: khảo sát hình dạng và kích thước, khảo sát tính chất quang thông
qua phổ tán xạ plasmon bề mặt, xây dựng hệ quang học để nghiên cứu hiệu ứng
quang nhiệt
2.1 Chế tạo các hạt nano vàng bán nguyệt
Như trên đã trình bày, các hạt nano có nhiều dạng khác nhau. Tuy nhiên, trong
đề tài này của tôi, tập trung vào các hạt nano vàng bán nguyệt. Chúng được coi
như là các đầu dò nano lai hóa. Trong phần này tôi sẽ trình bày các hạt nano
vàng bán nguyệt được chế tạo bằng phương pháp vật lý-đó là công nghệ bốc bay
nhiệt điện trở. Bằng phương pháp này có thể tạo ra các màng mỏng kim loại trên
các đế với độ dày có thể điều khiển được một cách dễ dàng thông qua điều khiển
dòng điện dẫn vào thuyền đặt vật liệu. Tôi đã tổ hợp phương pháp này với công
nghệ in thạch bản nano cầu để tạo ra các hạt nano dạng bán nguyệt. Công nghệ
này được phát triển bởi nhóm Richard P. Van Duyne [12]. Quy trình của phương
pháp là tạo ra một lớp mỏng kim loại trên mặt nạ nano cầu đã được đặt trên đế.
Các hạt nano cầu trên đế có thể thay đổi một cách dễ dàng từ các vật liệu khác
nhau. Các hạt nano cầu này có thể là hạt nano phát quang (latex, hay hạt nano
cách điện-silica hay các hạt nano từ,..). Thêm vào đó, các vật liệu kim loại bốc
bay trên các nano này cũng dễ dàng được thay đổi, thậm trí là có thể tạo ra nhiều
lớp vật liệu khác nhau trên đế (multi-layer). Trong thí nghiệm này, tôi dùng đế là
các lam kính. Sau khi lam kính được rửa sạch sẽ được chải các hạt nano lên và
tiếp theo đặt trong buồng chân không cao để bốc bay các vật liệu lên đế. Sau khi
quá trình bốc bay hoàn tất, các hạt nano được tạo thành trên đế sẽ được tách ra
khỏi đế bằng cách đơn giản là dùng các chổi lông mềm-bằng cách quét nhẹ
nhàng, sau đó lọc rửa nhiều lần thông qua các phin lọc và nam châm
(vì hạt nano cầu làm mặt nạ là hạt nano siêu thuận từ). Kết quả
21

nhận được các hạt nano bán nguyệt có độ đồng đều phụ thuộc nhiều vào chất lượng
các hạt nano cầu đã sử dụng làm mặt nạ, như: kích thước và hình dạng đồng đều,
quá trình đặt các hạt nano trên đế lam kính cũng cần phân tán đều và việc rửa lam
kính sạch trước khi đặt các hạt nano cầu cũng đóng góp rất quan trọng trong chất
lượng mẫu thu được. Sau đây tôi trình bày chi tiết từng bước của thínghiệm.
2.1.1 Làm sạch các lamkính
Các lam kính dùng làm đế có kích thước 2,5x7,5 cm với độ dầy từ 0,13-0,17 mm
được sản xuất từ Đức. Trước khi trải các hạt nano cầu siêu thuận từ lên đế này,
bề mặt của lam kính cần được làm sạch để tăng chất lượng mẫu chế tạo được.
Các hạt nano bán nguyệt sau khi hoàn thành sẽ được đảm bảo chắc chắn là các
hạt nano như mong muốn gồm lõi là các hạt nano siêu thuận từ và vỏ là lớp vàng
bán nguyệt. Để làm sạch lam kính, có nhiều phương pháp đã có tác dụng hiệu
quả hay được sử dụng. Các phương phổ biến vẫn là dùng phương pháp hóa học.
Một trong các phương pháp đơn giản nhất là: bề mặt của lam kính được làm
sạch bằng dung dịch tẩy rửa chén, sau đó rửa lại bằng nước IQ và đặt trong máy
rung siêu âm trong cồn (99,7%-100%) khoảng 5 phút. Tuy nhiên, cách này
không thể tẩy sạch hoàn toàn các vết bẩn vô-hữu cơ trên bề mặt. Phương pháp
thứ 2 là sử dụng dung dịch piranha. Dung dịch này cho phép loại bỏ các nhiễm
bẩn từ các chất hữu cơ trên bề mặt. Dung dịch này bao gồm hỗn hợp của 1/3
nước oxy (H2O2) và 2/3 axit sunphuric (H2SO4). Sau đó, lam kính được rửa lại
bằng nước cất. Với cách này, quá trình rửa rất độc cho người làm thí nghiệm.
Chính vì vậy, tôi đã sử dụng một phương phap đơn giản hơn ít độc mà vẫn làm
sạch được được bề mặt lam kính như mong muốn. Đầu tiên, các lam kính được
ngâm trong aceton trong khoảng 30 phút có rung siêu âm để loại bỏ các chất hữu
cơ bám trên bề mặt. Sau đó, rửa sạch aceton bằng nước IQ và rung siêu âm trong
khoảng 20 phút. Bước này được lặp lại 3 lần nhằm chắc chắn loại bỏ aceton. Và
cuối cùng làm khô bề mặt bằng ni tơ. Tất cả các bước đều thực hiện trong tủ hốt.
Hình 2.1 là ảnh quang học trường tối của lam kính trước và sau khi được làm
sạch. Trên hình 2.1a, ta thấy có nhiều tán xạ của các hạt bụi dưới khi quan sát
bằng kính hiển vi quang học trường tối. Tuy nhiên, sau khi được rửa sạch thì ta
quan sát hầu như không còn các tán xạ từ các hạt bụi ô nhiễm nàynữa.
20

Hình 2.1. So sánh ảnh quang học trường tối của lam kính trước (a) và sau khi
được xử lý làm sạch bằng acetone (b).
2.1.2 Trải các hạt nano trên bề mặt
Sau khi các lam kính được làm sạch trong phần trên đã trình bày, các hạt nano
siêu thuận từ (có kích thước ~8nm được bọc trong mạng polystyren tạo thành
kích thước trung bình 150nm) được mua từ hãng Merc-Đức sẽ được trải lên bề
mặt. Thực tế, có một số cách để trải các hạt nano lên đế, tuy nhiên cách phổ biến
và cho kết quả tốt là là quay phủ (spin coating). Phương pháp này cho phép tạo
ra các lớp hạt nano trên bề mặt có độ đồng đều cao nhờ vào điều khiển tốc độ
quay của trục gắn với lam kính. Tôi đã hiệu chỉnh với nhiều tốc độ quay của đế
khác nhau để tối ưu hóa lớp hạt nano trên bề mặt để đạt mục tiêu là: các hạt nano
đơn phân tán đều và mật độ hạt nhiều nhất có thể trên bề mặt lam kính. Điều này
giúp cho việc tăng được số hạt nano bán nguyệt sau quá trình bốc bay. Cụ thể,
tôi lấy 200 µl các hạt nano siêu thuận từ bằng micropipep trải lên lam kính đang
quay với tốc độ 1000 vòng/phút trong 30 giây. Hình 2.2 thể hiện quy trình trải
các hạt nano từ lên lam kính bằng phương pháp quay phủ. Hình 2.2b và 2.2c là
ảnh kính hiển vi quang học trường tối của các hạt nano từ sau khi trải ở các tốc
độ quay khác nhau của lam kính. Ta thấy, các hạt nano phân bố đơn phân tán và
rất đều. Tuy nhiên, mật độ hạt trên hai ảnh này cho thấy ở hai tốc độ quay 2000
vòng/phút và 1000 vòng/phút của lam kính không có sự khác biệt nhiều.
21

Hình 2.2. a) Hình vẽ thể hiện các hạt nano từ trải lên lam kính. b) và c) là ảnh
kính hiển vi quang học trường tối của các hạt nano từ trên lam kính ở các tốc độ
quay của lam kính: 2000 và 1000 vòng/phút tương ứng.
2.1.3 Công nghệ bốc kim loại bằng phương pháp nhiệt điệntrở
Các lam kính sau khi được trải các hạt nano lên bề mặt được gắn lên giá đưa
vào buồng của máy bốc bay. Buồng được làm sạch và có đặt các thuyền vật liệu
kim loại được bốc bay và cần tạo chân không cao (áp suất dưới 5.10-6
Torr).
Quy trình bốc bay vật liệu bằng phương pháp nhiệt điện trở dựa trên tác dụng
của dòng điện làm nóng vật liệu kim loại trong thuyền để bay hơi (nguyên tử)
lắng đọng trên đế tạo nên một lớp màng mỏng kim loại trên đế. Hay ta có thể
hiểu là bốc bay chân không là quá trình vật liệu nguồn được hóa hơi bay đến đế
mà không xảy ra va chạm giữa các phân tử khí trong không gian giữa nguồn và
đế. Phương pháp bốc bay được minh họa như trên hình 2.3. Bằng phương pháp
bốc bay nhiệt điện trở tạo màng kim loại từ đó tạo ra được các hạt nano vàng
bán nguyệt khi đã trải sẵn các hạt nano trến đế (lamkính).
22

Hình 2.3. Mô hình biểu diễn quá trình bốc bay các vật liệu tạo màng
mỏng kim loại lên đế.
Hình 2.4 thể hiện ảnh chụp buồng chân không đặt thuyền điện trở chứa các vật
liệu cần bốc bay. Trong hình 2.4a là ảnh chụp vật liệu vàng nguyên chất. Thực tế
trong buồng chân không luôn có 3 thuyền điện trở riêng biệt, điều này cho phép bốc
bay 3 loại vật liệu khác nhau-có nghĩa là có thể tạo ra các hạt nano vàng bán nguyệt
đa lớp. Mỗi thuyền điện trở có một mặt nạ che chắn khi thuyền đó chưa được bay
hơi, khi chúng bay hơi thì, mặt nạ này sẽ mở ra cho phép hơi kim loại bay lên và
lắng đọng trên đế. Bằng cách điều khiển dòng điện qua các thuyền điện trở này
chúng ta có thể điều khiển độ dày của lớp kim loại bán trên đế. Trong thí nghiệm
của tôi, trước tiên một lớp crom có độ dầy khoảng 2 nm được bốc bay-nó giúp cho
tăng độ bám dính giữa lớp vàng và hạt nano từ, tiếp đến là hơi nguyên tử vàng được
bay lên tạo thành một lớp phủ hạt nano từ dầy 30nm. Chú ý là, lớp kim loại crom
không làm ảnh hưởng đến tính chất quang của hạt nano. Hình 2.4b là ảnh chụp tôi
làm thí nghiệm tại phòng sạch tại Trung tâm công nghệ nano và năng lượng-
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHQG HàNội.
23

a) b)
Hình 2.4. a) ảnh chụp thuyền điện trở chứa kim loại vàng. B) ảnh chụp trong
quá trình làm thí nghiệm tại phòng sạch-Trung tâm công nghệ nano và năng
lượng-Trường Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHQG HàNội.
2.1.4. Tạo dung dịch các hạt anno vàng bán nguyệt
Bây giờ chúng ta cần tách các hạt nano vàng ra khỏi lam kính. Để thực hiện
được điều đó, thực tế có nhiều cách có thể áp dụng. Tuy nhiên, tôi dùng phương
pháp đơn giản và hiệu quả đó là dùng bút lông mềm-đây là loại bút mà các họa
sỹ hay sử dụng chúng để vẽ các bức tranh. Cụ thể, dùng tay quét nhẹ nhàng các
hạt nano trên lam kính đặt trong nước (xem hình 2.5). Sau đó, dùng nam châm
để rửa lọc lấy các hạt nano vàng bán nguyệt. Trên thực tế, khi sử dụng bút lông
mềm để tách (quét) các hạt nano vàng thì đồng thời cũng kèm theo nhiều mảnh
vụn vàng trên lam kính bị tách ra theo, điều này làm cho chất lượng hạt nano
nhận được không đạt như mong muốn (như độ sạch của hạt nano). Do đó, với
một nam châm có cường độ từ trường đủ lớn và dựa vào lõi của hạt nano vàng
bán nguyệt là hạt siêu thuận từ nên nó sẽ dễ dàng hút các hạt này (hạt nano vàng
bán nguyệt gồm lõi là hạt nano siêu thuận từ, vỏ là vàng). Sau khi thực hiện việc
lọc này nhiều lần (tối thiểu 3 lần), kết quả sẽ nhận được các hạt nano vàng bán
nguyệt có sạch cao. Hình 2.5 minh họa tách hạt nano vàng bán nguyệt từ đế
bằng bút lông mềm. Hình 2.6 là ảnh chụp dung dịch các hạt nano vàng bán
nguyệt trước (a) và sau khi dùng nam châm lọc các hạtnano.
24

Hình 2.5. Sơ đồ tách các hạt nano vàng bán nguyệt từ lam kính bằng bút lông
mềm
Hình 2.6. Ảnh chụp dung dịch chứa hạt nano vàng bán nguyệt trong nước
trước (a) và sau khi dùng nam châm lọc (b).
Bằng cách sử dụng nam châm này mà tôi có thể thay đổi môi trường chứa
hạt nano vàng một cách dễ dàng. Trong các thí nghiệm mà tôi nghiên cứu, tôi
dùng glycerol để thay thế nước chứa hạt nano. Từ đó thực hiện các phép nghiên
cứu quang nhiệt trong môi trường này.
25

2.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua(TEM)
Để nghiên cứu về hình dạng và kích thước thực của các hạt nano vàng bán
nguyệt, tôi đã sử dụng phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Các
ảnh TEM được thực hiện tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương. Thiết bị hoạt
động theo nguyên tắc phóng đại nhờ các thấu kính, tia điện tử được sử dụng để
xuyên qua vật chất có bước sóng rất ngắn, cỡ 0,04 Å. Các thấu kính là thấu kính
điện tử có tiêu cự thay đổi được, năng suất phân giải cỡ 23 Å. Hình 2.7 trình
bầy sơ đồ nguyên lý hệ TEM và ảnh chụp của máy đã sử dụng.
Hình 2.7. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử truyền qua (a) và ảnh chụp kính
hiển vi điện tử truyền qua đã sử dụng(b).
2.3 Kính hiển vi trường tối
Để quan sát và nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của các hạt nano vàng sau
khi chế tạo được, tôi sử dụng kính hiển vi quang học trường tối.
Nguyên lý
Dựa vào sự tương phản giữa ảnh vật với nền tối để nâng cao khả năng quan
sát của mắt người hay camera về ảnh đó. Kính hiển vi trường tối chủ yếu dùng
quan sát mẫu bị khúc xạ hay tán xạ mạnh.
26

Cấu tạo: Chùm ánh sáng từ nguồn được chặn lại bởi tấm chắn sáng, màng
chắn sáng chắn chùm sáng trung tâm (tạo nền đen của trường nhìn), chỉ cho ánh
sáng vòng ngoài đi qua để tạo góc chiếu tới mẫu lớn. Ánh sáng vòng ngoài được
hội tụ trên mẫu và truyền tới vật kính để tạo ảnh của mẫu. Như vậy ảnh của mẫu
sẽ là các đốm sáng trên nền đen trong trường nhìn. Với cấu hình này, chỉ có ánh
sáng nào đi qua mẫu, mang thông tin về mẫu thì mới đóng góp vào việc tạo ảnh
của mẫu. Những ánh sáng nào không đi qua mẫu sẽ không được vật kính thu
thập và bị loại bỏ hoàn toàn (loại nhiễu).
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi trường tối
Hình 2.9. Ảnh qua kính hiển vi trường sáng (trái) và kính hiển vi trường tối (phải)
27

2.4. Phương pháp đo phổ tán xạ Plasmon của một hạt nano vàng duy nhất
Để sử dùng các hạt nano vàng bán nguyệt như những nguồn nhiệt thì vị trí đỉnh
phổ cộng hưởng plasmon của chúng là rất quan trọng. Các vị trí này được quan
sát trực tiếp từ phổ tán xạ và tương ứng với nó sẽ cho tiết diện tán xạ và tiết diện
hấp thụ lớn nhất. Như đã trình bày ở các phần trên, cấu trúc hình học của hạt
nano vàng bán nguyệt gồm 2 phần: -phần lõi là các hạt nano siêu thuận từ và
phần vỏ vàng. Nó cho phổ tán xạ gồm 2 đỉnh [13]. Để đo phổ tán xạ Plasmon
của một hạt nano vàng duy nhất chúng tôi sử dụng cấu hình quang học dựa trên
kính hiển vi quang học trường tối, hệ quang học đo thiết kế như hình 2.10. Để
chuẩn bị mẫu đo phổ tán xạ plasmon, sau khi chế tạo các hạt nano vàng trên đế
được phủ bởi lớp Polydimethylsiloxane (PDMS) và xử lý nhiệt ở 80o
C trong 3
giờ, đợi nguội đến nhiệt độ phòng và lột lấy hạt nano vàng. Kết quả là các hạt
nano vàng được định xứ trong tấm polyme PDMS. Điều này rất thuận lợi cho
việc đo phổ tán xạ plasmon của từng hạt nano duy nhất theo hai hướng: hướng
có lớp vỏ vàng và lớp tiếp xúc với đế của hạt nano khi chế tạo. Hệ quang trong
hình 2.10b được thiết kế đo phổ tán xạ Plasmon bề mặt của từng hạt nano riêng
lẻ. Bộ phận quan trọng nhất của hệ quang này là phổ ảnh kế được ghép trực tiếp
trước camera. Hệ quang đo phổ tán xạ này gồm4 phầnchính:
i) Nguồn sáng . Đây là nguồn sáng trắng halogen (Quat-Tungsten-Halogen)
bao gồm một sợi đốt (3000K) trong an bun với môi trường khí halogen. Phổ ánh
sáng của sợi đốt này từ 350nm đến900nm.
ii)Vật kính trường tối phản xạ có độ phóng đại X20 với khoảng cách làm
việc 4,5mm và có khẩu độ số NA=0,45 trong khôngkhí.
iii) Một phổ kế được đặt trước camera và tại mặt phẳng tiêu cự ngay sau
khi ánh sáng ra khỏi kính hiểnvi
iv) Camera Andor cho phép ghi tín hiệu và hiệnảnh
Dưới kích thích của ánh sáng trắng halogen, tín hiệu ánh sáng tán xạ từ mẫu
được tập hợp bằng vật kính trường tối, rồi đi vào phổ kế phân tích bước sóng và
cuối cùng đi vào camera. Mẫu được đặt trên giá dịch chuyển 2 chiều có độ phân
giải cỡ vài nanomet và được lập trình tự động hóa bằng phần mềm Laview với
camera. Dưới kích thích của ánh sáng trắng halogen lên mẫu, giá dịch chuyển
quét theo 2 chiều (X,Y) trên một phạm vi 56µm x 385µm với mỗi bước dịch
chuyển 0,77µm. Giá này cho phép dịch chuyển mẫu có độ chính xác cao-điều
28

này thuận lợi trong việc giảm nhiễu. Dự liệu đo được lưu dưới dạng chuỗi ảnh
của những đường thẳng. Nhờ vào phần mềm matlab và Labview ta phân tích suy
ngược lại ảnh của các hạt nano, từ đó suy ra phổ tán xạ. Hình 2.11 thể hiện dữ
liệu ghi được khi sử dụng cấu hình quang học trong hình 2.10. Trong hình 2.11a
là các đường thẳng sáng tín hiệu ghi được, hình 2.11b là ảnh hiển thị của hạt
nano suy ngược lại từ dữ liệu trong hình 2.11a. Từ kết quả của hiển thị ảnh suy
ngược này chúng ta có thể tìm ra được phổ tán xạ tương ứng. Chi tiết tôi sẽ trình
bày trong chương 3 về kết quả của các phép đo này.
Hình 2.10. Sơ đồ mô tả đo phổ tán xạ plasmon của các hạt nano vàng bán
nguyệt đơn nhất. a) Chuẩn bị mẫu. b) Cấu hình quang học
Hình 2.11. Dữ liệu ghi được khi giá để mẫu quét tín hiệu (a) và hiển thị ảnh
của các hạt nano (b) từ dữ liệu (a).
29

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Như đã trình bày ở chương 2 về thực nghiệm, trong chương này tôi sẽ trình
bày về các kết quả thu được và thảo luận về các kết quả đó.
3.1 Hình thái và kích thước của nano vàng bánnguyệt
Như trên tôi đã trình bày, các hạt nano vàng bán nguyệt được chế tạo bằng
kỹ thuật in thạch bản nano cầu dựa trên phương pháp bốc bay nhiệt điện trở tại
phòng thí nghiệm của Trung tâm nano và Năng lượng –Trường Đại học khoa
học Tự nhiên-Đại học Quốc gia Hà Nội. Trên hình 3.1 thể hiện ảnh kính hiển vi
truyền qua (TEM) của các hạt nano từ (là lõi của hạt nano vàng bán nguyệt).
Chúng ta thấy rõ ràng rằng, hạt nano từ được tạo bởi một lớp mạng polystyrene
bọc các hạt siêu thuận từ (Fe3O4) kích thước ~8 nm; phân bố kích thước khá
đồng đều và đơn phân tán. Trong hình 3.1b chúng ta có thể thấy rõ hơn các hạt
siêu thuận từ này-chúng có độ tương phản màu đen và cũng phân bố đồng đều
trong không gian polystyrene. Hình 3.1c là phân bố kích thước hạt tương ứng
với hình 3.1a, hạt có kích thước trung bình 141 nm chiếm đa số. Với kích thước
này, dễ dàng phủ lên hạt một lớp kim loại vàng 30 nm để tạo thành một nửa bán
cầu kim loại mà nó không phủ hết hạt. Đây cũng là một lợi thế khi nghiên cứu
chuyển động quay ngẫu nhiên của các hạt trong dung dịch vì các hạt nano khi
nhận được có hình dạng bất đẳng hướng. Tuy nhiên, trong phạm vi nghiên cứu
của dự án này tôi tập trung chủ yếu vào chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên
(chuyển động dịch chuyển Brown) dưới kính hiển vi trường tối. Hình 3.2 thể
hiện một chuỗi ảnh TEM của các hạt nano vàng bán nguyệt sau khi chếtạo.
30

Hình 3.1. Ảnh TEM của các hạt nano từ dùng làm lõi của hạt nano vàng bán
nguyệt. a) Ảnh TEM của hạt nano từ ở thang đo 2µm. b) Ảnh TEM của hạt nano
từ ở thang đo 100 nm. c) Phân bố kích thước hạt tương ứng với ảnh a) và đường
bao mầu xanh là đường làm khớp theo quy luật Gauss.
31

Hình 3.2. Một chuỗi ảnh TEM của các hạt nano vàng bán nguyệt sau khi
chế tạo với thang đo là 250nm. Hình dưới cùng bên trái là ảnh TEM của một hạt
nano vàng bán nguyệt được phóng to từ hình bêntrái.
Từ những ảnh TEM này cho thấy, các hạt nano sau chế tạo hầu hết có một
lớp kim loại vàng bọc một nửa hạt nano từ. Điều này chứng tỏ phương pháp chế
tạo đã thành công, kết quả này rất phù hợp và có chất lượng tốt hơn so với một
số đã công bố trước đây [14,15]. Các hạt nano có kích thước trung bình khoảng
180-190nm. Tuy nhiên, chúng ta cũng thấy rằng, có một số hạt nano từ màchưa
32

được phủ lớp kim loại vàng (như hình 3.2 trên cùng bên trái), điều này được giải
thích là trong quá trình dùng bút lông quét các hạt nano rời khỏi đế đã tác động
mạnh làm cho lớp vàng cũng bị bật khỏi hạt nano từ. Khi rửa bằng nam châm thì
hiển nhiên các hạt nano từ này vẫn được giữ lại đến mẫu sạch cuối cùng. Hiện
tượng này cũng kéo theo kết quả là có một số vỏ vàng (như “mũ” vàng) cũng thu
được đơn lẻ mà không bao bọc hạt nano từ (hình 3.2 ở giữa bên phải). Các hạt
nano này sẽ được dùng để nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt trong phần tiếp theo.
3.2 Phổ tán xạPlasmon
Sử dụng cấu hình quang học trong chương 2 để đo phổ tán xạ plasmon của
các hạt nano chế tạo. Khi các hạt nano vàng được lấy ra bằng cách dùng tấm
polyme PDMS để đo phổ tán xạ, tôi đã kiểm tra độ sạch của lớp polymer và
chắc chắn là các hạt nano được tách ra từ lam kính và bị bám dính trong polymer
này tôi đã chế tạo các hạt nano vàng bán nguyệt mà lõi là hạt phát huỳnh quang
(kích thước ~100 nm). Sau đó quan sát tấm polymer dưới kính hiển vi trường tối
và kính hiển vi huỳnh quang trong cùng một vùng quan sát. Hình 3.3 cho thấy,
các hạt nano vàng bán nguyệt thực sự đã bị tách ra bởi tấm polymerPDMS.
Hình 3.3. Ảnh của các hạt nano vàng bán nguyệt (lõi là hạt phát huỳnh
quang) dưới kính hiển vi huỳnh quang (a) và kính hiển vi trường tối trong cùng
một vùng quan sát (b).
Từ hình 3.3 ở trên ta có thể quan sát thấy rõ ràng rằng, trong cùng một vùng
quan sát dưới chế độ kính hiển vi trường tối (hình 3.3b) thì mọi thứ đều bị tán xạ
và hiển thị ảnh nhưng trong hình 3.3a là ảnh ở chế độ kính hiển vi huỳnh quang
33

thì chỉ có những hạt phát quang (lõi của hạt nano vàng bán nguyệt) thì mới hiển
thị ảnh. Trong ảnh này chúng ta không tìm thấy một vài đốm sáng giống như
trong hình 3.3b. Điều này chứng tỏ lớp polymer đã tách rất tốt các hạt nano vàng
từ lam kính. Trong các thí nghiệm tiếp theo tôi sử dụng cách này để tách các hạt
nano vàng bán nguyệt (lõi là hạt nano từ), và đo phổ tán xạ của chúng trên tấm
polymer này. Bằng cấu hình quang học như đã trình bày ở trên, tôi tiến hành đo
phổ tán xạ Plasmon của từng hạt nano vàng riêng lẻ trong tấm polymer ở hai mặt
khác nhau. Điều này có nghĩa là, ánh sáng tán xạ từ các hạt nano được thu ở 2
mặt của tấm polymer. Kết quả được thể hiện trong hình 3.4.
Hình 3.4. Phổ tán xạ Plasmon của các hạt nano vàng bán nguyệt riêng lẻ.
Hình bên trái lá phổ tán xạ của các hat nano vàng khi thu ánh sáng tán xạ từ
phần vỏ vàng, và hình bên phải là phổ tán xạ của từng hạt nano vàng bán nguyệt
khi thu ánh sáng tán xạ ở mặt đối diện lớp vỏvàng.
Kết quả trên hình 3.4 cho thấy, phổ tán xạ của các hạt nano vàng bán
nguyệt gồm hai đỉnh tương ứng với hai cộng hưởng plasmon do sự bất đối xứng
về hình dạng của hạt nano gây ra dưới kích thích của ánh sáng tới. Bước sóng
của hai cực đại phổ này trung bình vào khoảng 540nm và 650nm. Đây là các kết
quả quan trọng và thuận lợi trong việc lựa chọn bước sóng laser để tiến hành các
nghiên cứu tiếptheo.
34

3.3 Hiệu ứng quangnhiệt
Hiệu ứng quang nhiệt là ánh sáng chuyển đổi thành nhiệt năng (light
converts into thermal). Trong trường hợp này, ta làm nóng cục bộ hạt nano
bằng các tia laser được điều chỉnh cường độ từ xa với các bước sóng phù hợp.
Các thí nghiệm nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của các hạt nano vàng đơn
nhất được thực hiện trong môi trường glycerol. Đây là môi trường có hệ số nhớt
phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và không hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy,
điều này không ảnh hưởng đến kết quả phép đo nhiệt độ cục bộ do hạt nano
vàng sinh ra dưới kích thích của ánh sáng tới (phương trình25).

(T)12100exp(1233T)T (25)
g 
9900 70T 
 
Vớig (T ) là độ nhớt của môi trường glycerol, T là nhiệt độ tuyệt đối.
Từ kết quả phân tích phổ tán xạ plasmon ở trên mà lựa chọn được bước sóng
laser kích thích mẫu phù hợp để cho hiệu suất chuẩn đổi quang-nhiệt cao định
hướng tốt ứng dụng trong diệt tế bào ung thư. Kết quả cho thấy phổ tán xạ
plasmon của một hạt nano vàng bán nguyệt có 2 cực đại (có 2 đỉnh) tương ứng
với hai bước sóng 540 nm và 650 nm. Cấu hình hệ quang học được thiết kế như
mô tả trong Hình 3.5. Với cấu hình quang học này, các mẫu có thể được kích
thích đồng thời bởi 2 laser xanh và đỏ (bước sóng 532 nm và 650 nm tương
ứng), hoặc có thể lựa chọn kích thích từng laser nhờ vào gương bán mạ di động.
Trong cấu hình quang học này, hai laser được chuẩn trực nhờ vật kính có độ
phóng đại nhỏ (X10) và một lỗ nhỏ (pinhole) kết hợp với một thấu kính hội tụ
tiêu cự 5 cm. Sau khi laser tương tác với mẫu sẽ bị chặn lại bởi một kính lọc sắc
trước camera để tránh laser đi vào camera dẫn đến quá ngưỡng bão hòa tín hiệu
gây hỏng camera. Khi laser (xanh hoặc đỏ) kích thích vào hạt nano, nó sẽ hấp
thụ laser chiếu tới và sinh nhiệt cục bộ xung quanh bề mặt hạt nano. Điều này
dẫn đến hạt nano chuyển động Brown nhanh hơn và tốc độ dịch chuyển phụ
thuộc vào công suất laser chiếu và độ nhớt của môi trường chứa hạt nano. Để
quan sát sự dịch chuyển này, một ánh sáng của đèn halogen đồng thời chiếu đến
mẫu từ đó giúp ta quan sát được các hạt nano một cách dễdàng.
35

Hình 3.5. Cấu hình quang học dùng để nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của các
hạt nano vàng bán nguyệt.
3.3.1 Đo nhiệt độ cụcbộ
Do các hạt nano vàng có kích thước nhỏ (quãng vài chục đến vài trăm nano
mét) nên khi nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt, các hạt nano này hấp thụ ánh
sáng chiếu tới và nóng cục bộ xung quanh chúng nên nó được coi như các đầu
dò nano nhiệt. Do cấu trúc và vật liệu của các đầu dò nano nhiệt này (gồm lõi là
vật liệu từ và vỏ là vàng) mà chúng có thể được điều khiển, đo đạc nhiệt độ từ xa
một cách dễ dàng [16]. Ở đây, tôi sử dụng và phát triển phương pháp theo dõi
một hạt nano duy nhất (single nanoparticle tracking) để xác định nhiệt độ cục bộ
của hạt nano sinh ra. Đây là một phương pháp mới, hiện đại dựa trên một thiết
kế cấu hình quang học tiên tiến và sử dụng camera nhanh CCD Andor. Nguyên
lý chung của phương pháp theo dõi một hạt nano được mô tả trong hình 3.6.
Dưới đây tôi sẽ trình bày chi tiết hơn về phương phápnày.
36

3.3.2 Kỹ thuật theo dõi đơn phân tử
a) Cách tiếp cận
Trong nghiên cứu này, cách tiếp cận được sử dụng bởi phương pháp:
chuyển động dịch chuyển Brown, chúng ta biết rằng khi một quả cầu nhỏ tự do
đắm mình trong một chất lỏng nó sẽ chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên. Các
luật cơ bản của chuyển động dịch chuyển Brown được phát triển bởi Einstein và
sau đó Perrin là người phát triển sâu hơn. Khi ta xét một hạt dạng cầu nhỏ lơ
lửng chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên trong một chất lỏng thì chúng bị ảnh
hưởng bởi các thông số của đặc trưng của chất lỏng đó như; độ nhớt, nhiệt độ
môi trường…Câu hỏi đặt ra là; sau mỗi khoảng thời gian nào đó (ví dụ khoảng
thời gian giữa hai ảnh đo đạc) thì hạt đang ở đâu?. Hay khoảng cách trung bình
trong một khoảng thời gian mà hạt chuyển động được có xác suất là bao nhiêu?.
Chúng ta nhận thấy rằng bình phương trung bình dịch chuyển tỷ lệ với thời gian.
Theo lý thuyết, bình phương trung bình dịch chuyển được xác định từ công thức:
r2
(t)4D (26)
t
Với τ là thời gian hạt chuyển động. Dtlà hệ số khuếch tán của hạt nano
trong môi trường glycerol. Dtđược xác định bởi:
D t
kBT
6(T)R
(27)
g h
Trong thực nghiệm, kB là hằng số Bolzmann, chúng ta dễ dàng đo được
giá trị r2
(t) theo
r2
(t) x2
(t) y2
(t) (28)
ở nhiệt độ phòng (t=23o
C) nhờ vào thuật toán của nhóm MOSAIC và phần mềm
matlab. Từ đây ta xác định được Dtbằng cách làm khớp giữa phương trình (28) với
(26), từ đó tính được bán kính thủy động lực học Rh của hạt nano. Kích thước
Rh này sẽ được dùng để xác định nhiệt độ của hạt nano theo công thức (27) và
kếthợpvớicôngthức(26)(vìkhinhiệtđộthayđổithìkíchthướccủahạtvẫn
37

giữ nguyên). Nhiệt độ này là nhiệt độ cục bộ của nano sinh ra ngay trên bề
mặt của hạt.
b) Quy trình theo dõi một hạt nano trong chấtlỏng
Theo dõi một hạt duy nhất là một công nghệ theo dõi sự chuyển động của của
từng phân tử phát quang (huỳnh quang chẳng hạn) dựa trên một hệ ghi ảnh nhanh.
Chúng ta lưu lại các quỹ đạo của từng hạt đã được đánh dấu, điều này cho phép
nhận được tín hiệu/nhiễu rất tốt và do đó xác định được vị trí của hạt cần theo dõi.
Đây là một phương pháp rất mới đang được phát triển để hiện ảnh các quỹ đạo từng
phân tử huỳnh quang riêng lẻ có kích thước rất bé (do đó khuếch tán rất nhanh)
hoặc là hiện ảnh quỹ đạo các phân tử có nồng độ lớn. Công nghệ này được đánh giá
rất cao trong lĩnh vực nghiên cứu động học các phân tử protein trong màng tế bào
sinh học. Như đã trình bày trong phần trên, kính hiển vi trường tối là ứng cử viên
sang giá cho quan sát sự tán xạ và hiện ảnh plasmon của hạt nano vàng bán nguyệt.
Kỹ thuật theo dõi đơn phân tử là rất lý tưởng cho việc làm bộc lộ các đặc trưng của
từng hạt nano sẽ được sử dụng để xác định sự dịch chuyển, hệ số khuếch tán hay
vận tốc của nó. Để thuận lợi, chúng tôi ghi một video gồm 1000 ảnh nhờ một
camera rất nhạy EM-CCD Andor. Khoảng thời gian giữa 2 ảnh là 0,3 s. Quy trình
của kỹ thuật theo dõi đơn phân tử thong thường bao gồm 4bước:
Hình 3.6. Sơ đồ minh họa quy trình theo dõi đơn phân tử
38

a) Ghi một video dưới kính hiển vi trường tối. Video bao gồm 1000 ảnh và
khoảng thời gian giữa 2 ảnh là 0,3s.
b) Xác định các vị trí tương ứng với mỗi ảnh hiển thị. Một chuỗi các ảnh
được ghi lại bởi camera, sau đó được phân tích bởi phần mềm ImageJ bằng cách
sử dụng công cụ plug-in de MOSAIC [17]. Có một số thông số cần được lựa
chọn phù hợp để phát hiện ra các hạt, như; radius of particle (pixel) – đây là bán
kích của vết sáng trên ảnh chứ không phải bán kính thực của hạt nano; cutoff- số
điểm để phân biệt các hạt; percentile- để xác định các điểm ảnh sáng được coi
như là hạt. Tất cả các điểm trong percentile trên của phân bố các cường độ hình
ảnh được coi là một hạt. Đơn vị: phần trăm(%).
c) Theo dõi sự dịch chuyển các hạt thông qua việc nối lại các đốm sáng đã
được phát hiện.
d) Phân tích kết quả thuđược
3.3.3 Nano vàng bán nguyệt như một nguồn nhiệt cụcbộ
Như trên đã phân tích, trong phần này tôi sẽ trình bày kết quả các hạt nano
vàng bán nguyệt đơn lẻ được làm nóng khi được kích thích bởi bước sóng laser
phù hợp. Các hạt nano vàng bán nguyệt sau khi được chế tạo như đã trình bày
trong chương 2, chúng được đặt trong môi trường glycerol để làm thí nghiệm về
hiệu ứng quang nhiệt. Dựa trên kết quả phổ tán xạ Plasmon để lựa chọn bước
sóng phù hợp của laser kích thích đến mẫu. Trong đề tài này, tôi đã lựa chọn hạt
nano có bán kính thủy động học (Rh) 82,5nm (kích thước đo được ở nhiệt độ
phòng t=22o
C) trong môi trường glycerol dùng để khảo sát tính chất quang
nhiệt. Hai laser sử dụng là laser xanh (bước sóng 532nm) và laser đỏ (bước sóng
650nm) kích thích mẫu với các công suất khác nhau. Hình 3.7 thể hiện phổ tán
xạ trung bình của 10 hạt nano vàng bán nguyệt và vết của hai laser sử dụng.
Bằngcáchápdụngphươngpháptheodõiđơnphântửởtrên,chúngtadễdàng
tính được bình phương dịch chuyển trungbình r2(t) ,từđólàmkhớpsốliệu
theo công thức (26) và chú ý đến công thức (27) kết quả tìm được nhiệt độ cho
từng hạt nano. Hình 3.8 biểu diễn kết quả về thí nghiệm quang nhiệt theo cấu
hình quang học trên hình 3.5 khi kích thích một hạt nano có bán kính thủy động
lựchọc82,5nmbằnglaserxanhvàlaserđỏ.Hình3.8achothấycácđườnglàm
39

khớp theo công thức 26 rất tốt với số liệu thực nghiệm khi công suất kích của
laser xanh thay đổi. Tại giá trị cực đại (2,8.105
W.cm-2
) của mật độ công suất
laser xanh này nhiệt độ lớn nhất tương ứng của hạt nano sinh ra trên bề mặt đạt
được 27,5o
C. Giá trị nhiệt độ này chưa phải lớn ứng với công suất laser đã dùng,
điều này có thể giải thích là do bước sóng 352nm của laser sử dụng chưa trùng
đúng với đỉnh tán xạ Plasmon của hạt nano nên hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt
chưa cao. Cũng với cấu hình quang học ở trên, laser đỏ được sử dụng để kích
thích trên cùng hạt nano này. Kết quả cho thấy, mặc dù mật độ công suất cực đại
của laser đỏ là 2,8.104
W.cm-2
nhỏ hơn đối với laser xanh nhưng lại cho thấy
nhiệt độ sinh ra cùng với hạt nano này lớnhơn.
Hình 3.7. a)-Phổ tán xạ của trung bình 10 hạt nano vàng bán nguyệt. Hai
đỉnh phổ ở bước sóng tán xạ ở 550nm và 648nm tương ứng với hai mode dao
động của cộng hưởng Plasmon bề mặt của nano vàng bán nguyệt. b)-ảnh chụp
của vết laser xanh bên trái và laser đỏ bên phải hội tụ tại mẫu.
Trên hình 3.7b là các đường làm khớp với các số liệu thực nghiệm ở các
công suất laser khác nhau. Từ đó tính được nhiệt độ cục bộ của hạt nano vàng
bán nguyệt tương ứng với từng công suất laser khác nhau. Ứng với giá trị cực
đạicủalaserđỏ2,8.104
W.cm-2
nhiệtđộsinhrasấpxỉ40o
C.Kếtquảnàycho
40

thấy hiệu suất chuyển đổi quang-nhiệt trong trường hợp này là tốt. Laser đỏ có
bước sóng rất gần với cực đại thứ 2 của phổ tán xạ Plasmon của hạt nano vàng.
Mật độ Mật độ
Hình 3.8. Kết quả đo nhiệt độ cục bộ do hạt nano vàng bán nguyệt sinh ra
khi chiếu bằng laser xanh và laser đỏ tương ứng. (a)-các đường khớp số liệu
thực nghiệm (sử dụng công thức 26) khi chiếu bằng chiếu laser xanh và (c) là
các giá trị nhiệt độ sinh ra tương ứng. (b) Bằng cách làm tương tự nhưng là
chiếu bằng laser đỏ trên cùng một hạt nano vàngnày.
41

3.4 Thử nghiệm trên tế bào sống ung thưvú
Trên cơ sở hiệu ứng quang nhiệt của đơn hạt nano vàng bán nguyệt trong
glycerol đã được nghiên cứu ở trên, trong phần này tôi trình bày thí nghiệm đầu
tiên về ứng dụng hiệu ứng quang nhiệt đó trên tế bào sống ung thư vú trong phòng
thí nghiệm (in vitro). Các tế bào ung thư được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm
đảm bảo có chất lượng tốt và hệ kính hiển vi nghiên cứu được đặt trong môi trường
nhiệt độ 37o
C và được bổ sung 5% CO2 để chắc chắn rằng trong quá trình làm thí
nghiệm tế bào ung thư vẫn sống. Các tế bào được chuẩn bị đặt trên tiêu bản thủy
tinh, sau đó các hạt nano vàng bán nguyệt được tiêm vào. Khi đó các hạt nano theo
cơ chế thẩm thấu sẽ bám trên màng tế bào. Dưới tác dụng của laser chiếu đến từng
hạt nano vàng sẽ trở thành những đầu dò nguồn nano nhiệt sinh ra xung quanh hạt
nano. Bước đầu tôi làm thí nghiệm với tế bào ung thư dưới tác dụng chỉ riêng laser
xanh đỏ (led laser) khi không có mặt hạt nano vàng. Kết quả cho thấy, hình thái bề
mặt và cấu trúc của tế bào không có sự thay đổi đáng kể nào. Chúng ta có thể quan
thấy hiện tượng này dưới kính hiển vi trường sáng trong thời gian chiếu 5 phút hình
4.1a và 4.1b. Tiếp theo, lặp lại thí nghiệm trên khi có mặt của hạt nano vàng trong
tế bào. Thời gian chiếu laser trong 5 phút. Kết quả cho thấy rõ ràng có sự biến đổi
về hình thái bề mặt của màng tế bào ung thư sau khi chiếu 5 phút ở mật độ công
suất 1,3.104
/cm2
. Quan sát trên hình 4.1c và 4.1d cho thấy rõ sự thay đổi này. Điều
này chứng tỏ, dưới tác dụng của laser đỏ ở bước sóng 650 nm các hạt nano vàng
bán nguyệt đã hấp thụ năng lượng quang và chuyển thành nhiệt gây nên sự biến đổi
về hình thái màng tế bào.
42

Hình 4.1. Hiệu ứng quang nhiệt của các hạt nano vàng bán nguyệt trên tế
bào sống ung thư vú. a) và b)- ảnh kính hiển vi trường sáng TBUT trước và sau
khi chiếu laser 650 nm không có mặt của hạt nano. c) và d) ảnh kính hiển vi
trường sáng TBUT trước và sau khi chiếu laser 650 nm với sự có mặt của hạt
nano vàng bánnguyệt.
Dựa trên các nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt ở phần trên, tôi có thể kết
luận rằng nhiệt độ do các hạt nano sinh ra khi có chiếu laser đỏ là tiệm cận đến
40o
C dẫn đến thay đổi hình thái màng tế bàosống.
Do điều kiện thời gian hạn hẹp, nên tôi chưa thực hiện đầy đủ được các thí
nghiệm theo dự định. Trong thời gian tới, tôi dự kiến sẽ nghiên cứu một cách
đầy đủ và có hệ thống hơn, như: nghiên cứu ảnh hưởng về thời gian chiếu laser
đến tế bào, ảnh hưởng của liều lượng các hạt nano có mặt trong tế bào. Đặc biệt
là đo đạc, xác định nhiệt độ chính xác từ xa trong tế bào là một vấn đề rất lớn mà
nhóm tác giả muốn hướng đến. Đây là một vấn đề rất thời sự, thú vị và cũng
rấtphứctạpbởivìmôitrườngtếbàolàmộtmôitrườngphứchợp(complex
43

media). Môi trường bị ảnh hưởng bởi nhiều thông số vật lý, hóa học, sinh học
mà trong đó hai yếu tố quan trọng đó là hệ số nhớt và hệ số đàn hồi. Hiện nay,
theo hiểu biết của tôi thì chưa có nghiên cứu nào tìm ra mối liên hệ cụ thể minh
bạch giữa nhiệt độ và độ nhớt cũng như hệ số đànhồi.
44

KẾT LUẬN
- Đề tài đã chế tạo thành công các hạt nano vàng bán nguyệt là hạt nano lai
hóa giữa tính chất từ và tính chất quang. Kích thước trung bình các hạt
nano vàng bán nguyệt là190nm.
- Phổ tán xạ Plasmon bề mặt của các hạt nano vàng có 2 đỉnh ở các bước
sóng khoảng 555nm và 648nm. Kết quả này rất phù hợp với lý thuyếtMie
- vị trí đỉnh phổ phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của hạt nano.
- Kết quả về nghiên cứu quang nhiệt đối với dùng laser xanh kích thích, nhiệt
độ cục bộ do một hạt nano vàng bán nguyệt trong glycerol sinh ra tăng
5,5o
C và đối với laser đỏ nhiệt độ cục bộ này tăng tương ứng 18o
C so với
nhiệt độ phòng. Nhiệt độ cục bộ tăng tuyến tính với mật công suất của
laser chiếu đến hạt nano. Hiệu suất chuyển đổi quang thành nhiệt phụ
thuộc vào việc lựa chọn bước sóng laser kích thích, phụ thuộc vào mật độ
công suất laser chiếu vào hạtnano.
- Bước đầu đã thử nghiệm hiệu ứng quang nhiệt của các hạt nano chế tạo được
trên tế bào ung thư vú trong phòng thí nghiệm. Kết quả cho thấy các hạt
nano mà nhóm chế tạo có hiệu ứng quang nhiệt tốt, nhiệt độ sinh ra từ hạt
nano là thay đổi hình thái cấu trúc màng tế bào ung thư. Nếu số hạt nano và
cường độ laser chiếu đủ lớn thì có thể diệt được tế bào ung thư bằng nhiệt độ
do chính các hạt nano này sinh ra dưới chiếu sáng kích thích.
- Nghiên cứu thành công các tính chất quang nhiệt của các hạt nano sẽ hứa
hẹn mở ra một hướng mới trong điều trị căn bệnh ung thư-Điều trị trúng
đích. Đây là một liệu pháp đầy hứa hẹn trong tương lai phát triển để thay
thế cho các phương pháp điều trị thông thường (phẫu thuật, xạ trị, hóa trị).
Những lợi thế mà phương mới sẽ đem lại là điều trị không xâm lấn nghĩa
là không ảnh hưởng đến tế bào lành,đây là điểm mạnh của công nghệ
nano mà những phương pháp truyền thống không cóđược.
45

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Markus Niederberger, “Colloidal Gold”, Chem. Rev. 2006, pp.104-293
[2] C. Loo, L. Hirsch, A. Lin, M.-H. Lee, J. Barton, N.J.Halas, J. West, and R.
Dre-zek. Nanoshell-enabled photonics-based imaging and therapy of cancer.
Tech.
Cancer Res, 3(1) :33–40., 2004.
[3] E. Prodan, C.Radloff, N. J. Halas, and P. Nordlander. A hybridization model
for the plasmon response of complex nanostructures. Science, 302(5644) :419–
422,2003.
[4] S. R. D. S.L.Westcott and N.J.Halas. Nanoengineering of optical resonances.
Chemical Physics Letters, 288(2-4) :243–247,1998.
[5] E. Bohn, W. Stober, and A. Fink. Controlled growth of monodisperse silica
spheres in the micron size range. J. Coll. Intrfc. Sci., 26(1) :62–69,1968.
[6] Y.Lu, G.L.Liu, J.Kim, Y.X.Mejia, and L.P.Lee. Nanophotonic crescen t moon
structures with sharp edge for ultrasensitive biomolecular detection by local elec-
tromagnetic field enhancement effect. Nano Lett., 5(1) :119–124, 2005
[7] G.L.Liu, J.Kim, Y.Lu, and L.P.Lee. Optofluidic control using photothermal
na-noparticles. Nat. Mat., 5(1) :27–32,2005.
[8] S.Link and M.El-Sayed. Spectral properties and relaxation dynamics of
surface plasmon electronic oscillations in gold and silver nanodots and
nanorods. J. Phys. Chem. B, 103(40) :8410–8426,1999.
[9] L. Michael. Nanostructures magnétiques pour le dianostic et la therapie :
hyper-thernie, relatation magnétique et devenir dans l’organisme. PhD thesis,
ParisDi-derot,2011.
[10] F.Perrin. Etude math´ematique du mouvement brown de rotation. PhD
thesis, Faculté des sciences de Paris,1928.
[11] Prashant K.Jain, Ivan H. El-Sayed, “Au Nanoparticles TargetCancer”,
Nanotoday February/Volume/Number1, February 2007, pp.18-29
[12] X. Zhang, A.V.Whitney, J. Zhao, E. M.Hicks, and R. Duyne. Advances in
contem-porary nanosphere lithographic techniques. J.of Nanosc. and Nanotech,
6 :1–15,2006.
46

[13] N.A.Mirin and N.J.Halas. Light-bending nanoparticles. Nano Lett.,9(3)
:1255–1259, 2009.
[14]. Liu GL. Et al. “Optofluidic control using photothermal nanoparticles”, Nat.
Mat. Vol. 5, No.11, (2005), pp. 27–32.
[15]. Nikolay A Mirin et al, “Light-Bending Nanoparticles”. Nano Lett. (2009),
Vol.9, No. 3,pp. 1255–1259.
[16] Xuan Hoa Vu et al, Determination of the dynamique parameters of an
individual gold nanocrescent: Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân
sự, Vol. 47, No.2, 2017
47

Nghiên Cứu Hiệu Ứng Quang Nhiệt Của Hạt Nano Vàng Định Hướng Ứng Dụng Trong Diệt Tế Bào Ung Thư.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Nghiên Cứu Hiệu Ứng Quang Nhiệt Của Hạt Nano Vàng Định Hướng Ứng Dụng Trong Diệt Tế Bào Ung Thư.doc

Similar to Nghiên Cứu Hiệu Ứng Quang Nhiệt Của Hạt Nano Vàng Định Hướng Ứng Dụng Trong Diệt Tế Bào Ung Thư.doc (20)

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Nghiên Cứu Hiệu Ứng Quang Nhiệt Của Hạt Nano Vàng Định Hướng Ứng Dụng Trong Diệt Tế Bào Ung Thư.doc