ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HOÀNG LONG

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH QUANG
CỦA NANO VÀNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG
TRONG Y SINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Thái Nguyên, năm 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HOÀNG LONG

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU
TÍNH QUANG CỦA NANO VÀNG, ĐỊNH HƯỚNG ỨNG
DỤNG TRONG Y SINH

Chuyên ngành: Quanh học
Mã số: 8440110

Cán bộ hướng dẫn khoa học:
TS. TRẦN QUANG HUY

Thái Nguyên, năm 2018



i


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN…...………………………………………………………………………….i
LỜI CAM ĐOAN……...…………………………………………………………………..ii
MỤC LỤC ............................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................................ v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................. vii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ........................................................................... 5
1.1. Sơ lược về công nghệ nano ....................................................................................... 5
1.2. Nano vàng. ................................................................................................................. 6
1.2.1. Tính chất của nano vàng ..................................................................................... 7
1.2.2. Ứng dụng của nano vàng..................................................................................... 9
1.3. Các phương pháp chế tạo nano vàng. ................................................................... 10
1.3.1. Phương pháp khử hóa học. ................................................................................ 10
1.3.2. Phương pháp sinh học. ...................................................................................... 11
1.3.3. Phương pháp vật lí. ........................................................................................... 11
1.3.4. Phương pháp điện hóa....................................................................................... 12
1.4. Lý do lựa chọn chế tạo nano vàng bằng phương pháp pháp điện hóa.............. 13
1.5. Kết luận. .................................................................................................................. 14
Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP ................................................................. 15
2.1. Vật liệu. .................................................................................................................... 15
2.1.1. Hóa chất, nguyên vật liệu. ................................................................................. 15
2.1.2. Thiết bị. .............................................................................................................. 15
2.2. Quy trình chế tạo nano vàng. ................................................................................ 15
2.3. Khảo sát đặc trưng lí-hóa của dung dịch nano vàng. .......................................... 16


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TT

Viết tắt

Giải nghĩa

1.

AuNPs

Nano vàng

2.

CTAB

Tetradodecylammonium bromide

3.

DLS

Tán xạ ánh sáng động học (Dynamic Light Scattering)

4.

E.coli


Quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Kích thước của vật liệu nano được phân bố từ 1-100 nm........

5

Hình 1.2. Cấu trúc lập phương tâm mặt tinh thể Au …...…………..…..

6

Hình 1.3. Mô hình biểu diễn sự tương tác của sóng điện từ và các hạt nano
vàng, các electron trên bề mặt hạt nano gây tạo ra hiện tượng cộng hưởng
bề mặt [2]……………………………………….………………….

7

Hình 1.4. Màu sắc của dung dịch nano vàng theo kích thước của hạt

8

Hình 1.5. Ứng dụng của hạt nano vàng trong y sinh học ……………..

10

Hình 1.6. Quá trình khử từ muối vàng HAuCl4 thành nano vàng …......

21

Hình2.6. Máy nhiễu xạ tia X …………………………………………

22

Hình2.7. Thiết bị đo thế Zeta ………………………………………….

23

Hình 2.8. Quy trình gắn kháng thể với hạt nano vàng…………………..

24

Hình 2.9. Phức hợp kháng thể-hạt vàng (1) và đánh dấu với vi khuẩn để
quan sát trên kính hiển vi điện tử truyền qua (2)…………………………

24

Hình 3.1. Sự thay đổi màu sắc trong dung dịch nano vàng chế tạo ở các
điện áp khác nhau………………………………………………………..

26

Hình 3.2. Sự thay đổi màu sắc của dung dịch nano vàng chế tạo tại các
nồng độ natri citrate khác nhau…………………………………………

v

27

tương ứng với nồng độ natri citrate thay đổi (cột trái), và sau các mức

35

thời gian khác nhau của mẫu 9V và nồng độ natri citrate 0,1% (cột phải)
Hình 3.10. Hạt nano vàng chế tạo tại 9V, nồng độ natri citrate 0,1% sau

37

2 giờ tại thời điểm ngay sau khi chế tạo và sau 6 tháng lưu giữ ở 40C…
Hình 3.11. Ảnh SEM cho thấy các hạt nano vàng chế tạo được hình cầu,
kích thước hạt nằm trong dải 15- 20 nm…………………………………

39

Hình 3.12. Phổ EDX xác nhận thành phần và độ sạch của nano vàng sau
chế tạo…………………………………………………………………..

40

Hình 3.13. Giản đồ nhiễu xạ tia X của nano vàng sau khi chế tạo bằng
phương pháp điện hóa…………………………………………………...

41

Hình 3.14. Thế zeta của dung dịch nano vàng được lưu giữ sau 6 tháng
của mẫu chế tạo 2 giờ ở điện áp 9V và nồng độ natri citrate 0,1%...........

42


học khác [3].
Năm 1857, Faraday lần đầu tiên công bố khả năng tạo keo vàng bằng cách
dùng phốt pho khử AuCl4-, từ đó tới nay đã có nhiều kỹ thuật khác nhau được
phát triển để tạo keo vàng như phương pháp hóa học, phương pháp vật lý và
phương pháp sinh học [5], [8]. Mỗi phương pháp có những ưu và nhược điểm
khác nhau liên quan đến chi phí, thời gian tạo mẫu, sự ổn định và phân bố kích
thước hạt cũng như mục đích ứng dụng. Ngày nay, phương pháp khử hóa học
được sử dụng phổ biến nhất để chế tạo nano vàng. Phương pháp này có quá trình
thực nghiệm đơn giản và có thể điều khiển được kích thước hạt [9]. Tuy nhiên,
đây là phương pháp sử dụng những hóa chất đắt tiền, khả năng sẵn có của muối
vàng tinh khiết và hóa chất khử cũng là vấn đề cần được quan tâm. Tiếp theo,
việc kiểm soát hóa chất tồn dư (chưa phản ứng hết), độ pH hay độ sạch của nano
vàng sau khi chế tạo là một trong những thách thức của người làm công nghệ.
Trên thực tế, phương pháp vật lý cũng được sử dụng và có thể tạo ra số lượng lớn
các hạt nano vàng từ vàng khối [5], [10]. Tuy nhiên, chi phí cho các trang thiết
bị chế tạo thường tốn kém và khó kiểm soát được kích thước. Một trong những
phương pháp thân thiện với môi trường để chế tạo nano vàng là phương pháp sinh
học cũng được quan tâm và phát triển trong thời gian gần đây [11], [12]. Phương
pháp này sử dụng các chiết xuất từ thực vật hay vi khuẩn để khử muối vàng thành
vàng nguyên tử, từ đó hình thành các hạt nano. Hạn chế chính của phương pháp
1


này là khó khăn trong việc tạo ra được số lượng lớn hạt nano và kiểm soát kích
thước. Một số phương pháp kết hợp lý hóa như quang hóa hay điện hóa cũng
được phát triển để chế tạo nano vàng [13], [14]. Tuy nhiên, tính ưu việt của
những phương pháp này vẫn chưa được thể hiện rõ ràng.
Vấn đề đặt ra đối với các nhà khoa học và công nghệ là làm sao phát triển
được phương pháp chế tạo hạt nano một cách hiệu quả, kiểm soát được chất lượng
nguyên liệu đầu vào và sản phẩm đầu ra, phát huy được những ưu điểm và giảm

tạo hạt nano kim loại từ dạng khối [20], [21]. Việc tạo ra nano vàng sạch từ lá
vàng khối sẽ giúp các nhà khoa học chủ động hơn trong việc nghiên cứu và triển
khai ứng dụng liên quan đến nano vàng.
Xuất phát từ những lý do trên, cùng với ðiều kiện trang thiết bị hiện có của
phòng thí nghiệm và sự định hướng của Thầy hướng dẫn, tôi đã lựa chọn chủ đề
"Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của nano vàng, định hướng ứng dụng
trong y sinh" làm đề tài của luận văn.
Mục tiêu của đề tài:
- Chế tạo thành công nano vàng có dải kích thước dưới 20 nm từ vàng khối
bằng phương pháp điện hóa, định hướng ứng dụng trong y sinh;
- Khảo sát tính chất quang của nano vàng chế tạo bằng phương pháp điện
hóa ở các điều kiện khác nhau.
Phương pháp nghiên cứu: Nano vàng được chế tạo bằng phương pháp điện hóa.
Các tính chất lí-hóa của nano vàng được khảo sát theo điện áp sử dụng, nồng độ
natri citrate, thời gian chế tạo và thời gian lưu giữ. Sử dụng các trang thiết bị
phòng thí nghiệm để phân tích như UV-vis, kính hiển vi điện tử truyền qua, kính
hiển vi điện tử quét, phổ tán xạ năng lượng tia X, nhiễu xạ tia X và thế Zeta. Khảo
sát khả năng đánh dấu vị trí kháng nguyên vi khuẩn bằng nano vàng sử dụng kỹ
thuật miễn dịch hiển vi điện tử.
Bố cục luận văn:
3


Mở đầu
Chương 1: Tổng quan lý thuyết.
Trình bày tổng quan về công nghệ nano vàng và ứng dụng; quy trình chức
năng hóa nano vàng với kháng thể; đánh dấu và phát hiện vi khuẩn E.coli O157
bằng nano vàng; tổng hợp tài liệu công bố mới nhất để chỉ ra ưu nhược điểm của
các phương pháp chế tạo nano vàng hiện có, đề xuất vấn đề nghiên cứu mà luận
văn sẽ giải quyết.


Hình 1.1. Kích thước của vật liệu nano từ 1-100 nm [23]
Ở kích thước nano mét (nm), số nguyên tử trên bề mặt vật liệu so với tổng
số nguyên tử chiếm tỉ lệ đáng kể, tạo ra những hiệu ứng liên quan đến bề mặt
(hiệu ứng bề mặt), dẫn đến tính chất có nhiều khác biệt so với chính vật liệu này
ở dạng khối [24]. Nhờ những tính chất đặc biệt ấy, vật liệu nano đã được nghiên
cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực phục vụ đời sống như y học, chế phẩm sinh
học, mỹ phẩm, dệt may, vũ trụ và công nghiệp điện tử và dân dụng…
Báo cáo năm 2010 cho thấy tình hình phát triển của công nghệ nano trên
thế giới tăng trưởng đều đặn hàng năm khoảng ~25% [24]. Năm 2015, doanh thu
5


từ các sản phẩm do công nghệ nano mang lại đạt gần 30,4 tỷ đô la Mỹ và tiếp tục
tăng nhanh trong những tiếp theo [25].
1.2 . Nano vàng.
Trong bảng hệ thống tuần hoàn, vàng (Au) là kim loại quý đứng vị trí thứ
79 với cấu hình điện tử Xe5d106s và Xe5d96s2. Nguyên tử vàng có 2 mức năng
lượng 5d và 6s xấp xỉ nhau, tạo ra sự cạnh tranh giữa lớp d và lớp s [26]. Các
điện tử của Au có thể dịch chuyển ở cả hai trạng thái này. Chính vì thế, vàng có
tính dẻo đặc biệt do các điện tử rất linh động.
Ở trạng thái vàng khối, chúng có ánh kim, màu vàng, nhiệt độ nóng chảy
1.063,4 oC, nhiệt độ sôi là 2.880 oC, dẫn nhiệt (350 W/m.K), dẫn điện (40.107
Ω/m), bền trong không khí khô và ẩm. Mặc dù vậy, khi ở kích thước nano chúng
có tính chất quang, điện độc đáo và hoàn toàn khác biệt so với vật liệu vàng dạng
khối [19], [26]
Cấu trúc tinh thể của vàng dạng lập phương tâm mặt (Hình 1.2), trong
đó, mỗi nguyên tử Au liên kết với 12 nguyên tử vàng xung quanh và có hằng
số mạng là a = 4,0786 Å.


Khi mật độ loãng thì coi như gần đúng với hạt tự do, nếu ở nồng độ cao thì phải
xét đến ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt [2], [26].

Hình 1.4. Màu sắc của dung dịch nano vàng theo kích thước của hạt [27]

b) Tính chất điện
Do mật độ điện tử tự do cao nên tính dẫn điện của kim loại nói chung và
nano vàng nói riêng thường lớn (điện trở nhỏ). Đối với vật liệu khối, độ dẫn được
giải thích dựa trên cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn. Điện trở của kim loại
do sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao
động nhiệt của nút mạng (phonon). Tập hợp các điện tử chuyển động trong kim
loại (dòng điện I) dưới tác dụng của điện trường (U) có liên hệ với nhau thông
qua định luật Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở của kim loại [1].
Định luật Ohm cho thấy đường I-U là một đường tuyến tính. Khi kích thước
của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lượng tử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu trúc
vùng năng lượng. Hệ quả của quá trình lượng tử hóa này đối với hạt nano là I-U
không còn tuyến tính nữa mà xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn
Coulomb (Coulomb blockade) làm cho đường I-U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc
sai khác nhau một lượng e/2C cho U và e/RC cho I, với e là điện tích của điện tử,
C và R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực [28].
8


c) Tính chất nhiệt.
Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các
nguyên tử trong mạng tinh thể. Khi kích thước hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy
sẽ giảm. Ví dụ: hạt vàng kích thước 2 nm có Tm = 500°C, kích thước 6 nm có Tm
= 950°C [19].
d) Tính chất xúc tác nano vàng trên chất mang
Nano vàng có khả năng xúc tác. Tuy nhiên, một số yếu tố ảnh hưởng

Hình 1.6. Quá trình khử từ muối vàng HAuCl4 thành nano vàng [4]
1.3.2. Phương pháp sinh học.
Tương tự như phương pháp khử hóa học, phương pháp này sử dụng chiết
xuất từ thực vật hay một số vi khuẩn để khử muối HAuCl4 thành hạt nano vàng
[11], [12], [34]. Đây là phương pháp tự nhiên, đơn giản với chi phí thấp để sản
xuất nano vàng mà hạn chế được sự tồn dư các độc chất. Tuy nhiên, hàm lượng
nano vàng chế tạo được thường thấp và khó kiểm soát được kích thước.
1.3.3. Phương pháp vật lí.
Đây là phương pháp "từ trên xuống", biến đổi vàng khối thành nano vàng
(Hình 1.7). Nhờ một hệ quang học, chùm laser được hội tụ lên bề mặt tấm kim
loại Au đặt trong một bình chứa nước hoặc cồn để bứt phá các nguyên tử hay tinh
thể nano vàng từ tấm vàng khối [5].

11


Hình 1.7. Mô hình bắn phá laser để tạo ra nano vàng [5]
1.3.4. Phương pháp điện hóa.
Năm 2006, nhóm nghiên cứu của Huang và cộng sự [6] đã chế tạo thành
công nano vàng với kích thước ~40nm bằng phương pháp điện hóa. Phương pháp
này sử dụng một điện cực vàng (anot), một điện cực platine (catot) và 0,08M
muối CTAB. Trong quá trình điện phân, vàng bị oxi hóa ở anot và dịch chyển về
phía catot nơi xảy ra sự khử và sự hình thành các nguyên tử vàng. Quá trình được
thực hiện trong điều kiện rung siêu âm để kiềm chế sự bám lại của các nguyên tử
vàng lên catot. Các nguyên tử vàng được chất hoạt động bề mặt trong dung dịch
(muối CTA) bao bọc và hình thành các hạt nano vàng.

12




14


Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
2.1. Vật liệu.
2.1.1. Hóa chất, nguyên vật liệu.
Hai thanh vàng (Au), độ sạch 99,99%, mua từ một Công ty vàng bạc tại Hà
Nội, có kích thước 70 mm x 5 mm x 0,2 mm (dài x rộng x dày). Natri citrate
Na3C6H5O7 từ Sigma Aldrich.
Chủng vi khuẩn gây bệnh đường ruột (Escherichia coli O157); thạch
Luria–Bertani (LB) đến nuôi vi khuẩn. Các vật liệu sinh học này được cung cấp
bởi Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương.
Bình thủy tinh loại 60 ml,100 ml và 500 ml; các ống dùng để đựng dung
dịch; pipét các loại; ống falcol 15 ml và 50 ml; ống ly tâm eppendorf 1,5 ml; lưới
đồng (200mắt) phủ màng colodion – cacbon; giấy nhôm (aluminum foil); cồn tuyệt
đối, nước cất 2 lần và các nguyên vật liệu liên quan khác đảm bảo điều kiện cho
việc phân tích.
2.1.2. Thiết bị.
Máy khuấy từ gia nhiệt (RH B-T/IKA); cân phân tích (TE214S/Sartorius);
máy khuấy siêu âm (RK 102 CH/Bandelin); máy ly tâm (H1300, Nhật Bản);
máylắc(MX-S/EMCLab).
Đồng hồ vạn năng đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế; bộ nguồn cung
cấp điện áp một chiều có thể thay đổi giá trị từ 0 đến 15V (bước thay đổi 1V); tủ
lạnh Sanyo.
2.2. Quy trình chế tạo nano vàng.
Hai thanh vàng (Au) được rửa sạch bằng nước cất hai lần rồi cho vào máy
rung siêu âm 15 phút để loại bỏ hoàn toàn bụi bẩn bám dính trên bề mặt. Sau đó,
nối hai thanh với hệ điện hóa đặt trên máy khuấy từ. Trong đó, một thanh đóng vai
trò làm anốt và thanh còn lại là catốt, khoảng cách giữa hai điện cực cách nhau 2

2.3.1. Phương pháp đo phổ hấp thụ UV-vis.
UV-vis (Ultraviolet–visible spectroscopy) là phương pháp phân tích dựa
trên hiệu ứng hấp thụ khi vật chất trong dung dịch tương tác với bức xạ điện từ
(Hình 2.2). Trong đó, bức xạ điện từ trong phép phân tích có bước sóng từ vùng
cực tím đến vùng ánh sáng khả kiến (thông thường: 180 nm – 1100 nm). Do nano
vàng có các thuộc tính quang học bề mặt phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và
nồng độ của hạt, nên có thể dựa trên các đỉnh hấp thụ UV-vis để xác định sự hình
thành hạt nano sau khi chế tạo.
16