VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
VIỆN VẬT LÝ
------***------

ĐỖ THỊ HUẾ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG
CỦA CÁC CẤU TRÚC NANO VÀNG DẠNG CẦU, DẠNG
THANH VÀ DẠNG LÕI/VỎ SILICA/VÀNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG
DỤNG TRONG Y SINH

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số chuyên ngành: 944 01 04

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội – 2018
1


Công trình được hoàn thành tại: Viện Vật lý
Người hướng dẫn khoa học:
1. TS. Nghiêm Thị Hà Liên
2. PGS. TS. Trần Hồng Nhung
Phản biện 1: TS. Nguyễn Cao Khang
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Năng Định
Phản biện 3: TS. Nguyễn Trần Thuật
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đáng giá luận án cấp Viện họp
tại...........................................................................................................
vào lúc

đặc thù này, các nghiên cứu ứng dụng của các cấu trúc nano vàng ngày
càng phát triển và hứa hẹn những thành tựu to lớn trong các ứng dụng y
sinh. Chẳng hạn như: (i) nano vàng có khả năng chứa thuốc, tải thuốc trị
liệu và phát quang hiện ảnh trong mô tế bào; (ii) nano vàng cấu trúc
lõi/vỏ với khả năng tán xạ mạnh ánh sáng từ vùng nhìn thấy tới vùng
hồng ngoại gần (NIR), chúng được ứng dụng để tạo ảnh in vivo sâu
trong cơ thể (10 cm) để phát hiện các tế bào ung thư. Đồng thời, với khả
năng hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng hồng ngoại gần, các nano vàng
thanh và nano vàng cấu trúc lõi/vỏ được sử dụng để tiêu diệt tế bào
bệnh bằng liệu pháp quang nhiệt mà không làm ảnh hưởng đến các tế
bào khỏe cũng như không làm ảnh hưởng đến yếu tố di truyền…
Xuất phát từ những thực tế về nhu cầu ứng dụng và khả năng đáp
ứng những nhu cầu đó của các cấu trúc nano vàng, đồng thời xuất phát
1


từ tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước, chúng tôi chọn và
nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang
của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và dạng lõi/vỏ
silica/vàng định hướng ứng dụng trong y sinh”.
2. Mục tiêu:
- Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tinh chất quang của các cấu trúc
nano vàng dạng cầu, dạng thanh và cấu trúc lõi/vỏ với các kích thước
điều khiển được.
- Thử nghiệm ứng dụng của vật liệu đã chế tạo trong hiện ảnh tế
bào và trong hiệu ứng chuyển đổi quang nhiệt.
3. Những điểm mới/đóng góp của luận án
Luận án là một công trình nghiên cứu cơ bản định hướng ứng
dụng với đối tượng là vật liệu nano vàng – một loại vật liệu đang và sẽ
hứa hẹn nhiều ứng dụng trong công nghệ nano đặc biệt là các ứng dụng

Độ hấp thụ A của một mẫu gồm các hạt nano phân tán trong một
môi trường đồng nhất được cho bởi:
𝐼0

1

𝜆
𝐴(𝜆) = 𝑙𝑜𝑔 𝐼𝜆 = 2.303 𝑁. 𝜎𝑒𝑥𝑡
.𝑙
𝜆

trong đó ext là hệ số dập tắt của mẫu tại bước sóng  và N số hạt
trong một lít, l là độ dày của môi trường hấp thụ (cm).
1.1.3. Đặc trưng quang học của các cấu trúc nano vàng
1.1.3.1. Hạt nano vàng dạng cầu
Lý thuyết Mie đánh giá rằng tiết diện quang của các hạt nano
vàng cầu cao hơn khoảng 4-5 bậc so với tiết diện quang của các tâm
mầu. Tính chất quang phụ thuộc vào kích thước của hạt: Các hạt có
đường kính dưới 20 nm tán xạ ánh sáng không đáng kể. Khi đường kính
của hạt tăng lên tỷ lệ đóng góp của tán xạ plasmon bề mặt cũng tăng lên
đáng kể. Sự tăng như vậy của hệ số tán xạ tạo ra một công cụ để lựa
3


chọn các hạt nano cho các ứng dụng thực tế: các hạt có kích thước lớn
thích hợp với các ứng dụng hiện ảnh trên cơ sở tán xạ ánh sáng. Tùy
thuộc vào mục đích ứng dụng mà các hạt nano vàng cầu với các kích
thước thích hợp sẽ được lựa chọn.
1.1.3.2. Thanh nano vàng
Đối với thanh nano vàng, khả năng phân cực lưỡng cực của điện

𝑅1
√1 + 4𝑛(𝑛 + 1)( )2𝑛+1 ]
[1 ±
2
2𝑛 + 1
𝑅2

Trong đó: R1 là bán kính lõi, R2 là bán kính vỏ, n là thứ tự của sóng
hình cầu, p tần số plasmon khối, + là tần số cộng hưởng plasmon ứng
với mode phản liên kết, - là tần số cộng hưởng plasmon ứng với mode
liên kết. Ta thấy tần số cộng hưởng plasmon n phụ thuộc vào tỷ lệ lõi –
vỏ của hạt. Đối với cấu trúc lõi/vỏ vàng vị trí đỉnh phổ dập tắt có thể
dịch chuyển trong khoảng từ 600nm-1000nm. Phạm vi của bước sóng
này đặc biệt quan trọng vì nó chứa dải bước sóng từ 700-900nm, là
vùng cửa sổ quang học của da và mô người.
1.2. Các phương pháp chế tạo cấu trúc nano vàng
1.2.1. Phương pháp nuôi mầm
Nguyên lý của phương pháp nuôi mầm được trình bày như
trong hình 3.

5


Hình 3. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp nuôi mầm
Phương pháp này có ưu điểm là: tổng hợp ở nhiệt độ phòng, dễ điều
khiển kích thước hạt, kích thước đồng đều và ít sản phẩm phụ.Tuy
nhiên để có được những kết quả đó phương pháp này yêu cầu:
- Cần tạo được mầm có chất lượng tốt: đơn phân tán, đồng đều về
hình dạng và kích thước.
- Cần có dung dịch nuôi phù hợp để kiểm soát quá trình phát triển

300

400

500

600

700

B- í c sãng(nm)

Hình 4. Ảnh TEM của hạt vàng Duff –Baiker, thang đo 20 nm (trái) và
phổ hấp thụ plasmon của chúng (phải).
Ảnh TEM cho thấy các hạt nano vàng được hình thành với kích thước
trung bình cỡ 2 nm. Phổ hấp thụ plasmon của dung dịch hạt có đặc
trưng của các hạt nano vàng nhỏ (dưới 10 nm): phổ rộng với đỉnh cộng
hưởng nằm trong dải bước sóng 505 nm – 510 nm. Các hạt này được
bảo quản ở 40C để làm hạt mầm chế tạo các hạt nano vàng dạng cầu
kích thước lớn hơn hoặc gắn kết lên trên các hạt silica để tạo hạt silica mầm cho quá trình hình thành hạt nano cấu trúc lõi silica/vỏ vàng.
2.3. Chế tạo các hạt nano vàng dạng cầu bằng phương pháp nuôi
mầm
2.3.1. Dung dịch nuôi (GPS)
2.3.1.1. Chuẩn bị dung dịch nuôi
Dung dịch nuôi là các dung dịch vàng hydroxyde được tạo thành khi
cho K2CO3 vào trong dung dịch HAuCl4 để tạo thành các phức ion
vàng.
2.3.1.2. Xác định pH tối ưu của dung dịch nuôi vàng hydroxyde
7


đồng đều dẫn đến sự đa dạng về kích thước hạt. Vì vậy, với mong muốn
tổng hợp được các hạt nano vàng dạng cầu có kích thước biến thiên
trong dải rộng để đa dạng hóa các ứng dụng của chúng, chúng tôi đã sử
dụng mầm ban đầu là một loại hạt nano vàng có kích thước đồng đều
hơn – hạt vàng citrate được làm theo phương pháp của Turkevich.
2.3.3.2. Phát triển kích thước hạt từ hạt vàng citrate
Quá trình này được thực hiện qua 18 bước nuôi được đánh số bắt đầu từ
5 đến 22 sao cho sản phẩm của bước nuôi này được sử dụng làm mầm
cho bước nuôi kế tiếp.

Hình 6. Ảnh TEM của các hạt nano mầm vàng citrate và sản phẩm
thu được ở các bước nuôi khác nhau với độ phóng đại 40000X, thang
đo 100nm.
Các kích thước thu được từ tính toán, ảnh TEM và phép đo DLS là
tương đối phù hợp với nhau. Điều này một lần nữa cho thấy rằng bằng
phương pháp nuôi mầm, sử dụng các mầm là vàng Duff-Baiker và vàng
citrate, dung dịch nuôi là vàng hydroxide pH 9.4, chúng tôi hoàn toàn
có thể phát triển các hạt nano vàng ở nhiệt độ phòng tới các kích thước
9


mong muốn (từ vài đến vài trăm nanomet) và chất lượng sản phẩm (độ
đồng đều, độ đơn phân tán) là tương đối tốt.

Hình 7. Phổ cộng hưởng plasmon của các dung dịch keo vàng kích
thước nhỏ từ bước nuôi 1 đến bước nuôi 3 (A), phổ chuẩn hóa của các
dung dịch từ bước nuôi thứ 5 đến bước nuôi thứ 16 (B ) và phổ cộng
hưởng plasmon của các dung dịch keo vàng kích thước lớn từ bước 17
đến bước 22 (C).
Các hạt dưới 10nm có phổ plasmon rộng, các hạt càng nhỏ thì

11


Hình 8. Ảnh TEM của các hạt nano silica được làm với lượng
NH4OH khác nhau: 900 µl; 1000µl; 1100µl; 1200µl; 1300µl (từ trái
sang phải) trước (dãy trên) và sau (dãy dưới) khi chức năng hóa bề mặt
với APTES các tại thang đo 100nm với độ phóng đại 40000 lần.
Các thông số thu được cho thấy khi lượng NH4OH tăng từ 900 µl
tới 1300 µl với bước nhảy 100 µl thì kích thước của các hạt silica tăng
lên tương ứng là a) 45±3nm;b) 65±5nm; c)110±5nm; d) 130±5nm; e)
150±5nm.
Kết quả khảo sát thế zeta và phổ hấp thụ hồng ngoại cho thấy các
hạt nano silica đã chức năng hóa thành công bằng các phân tử APTES.
3.3. Chuẩn bị hạt silica – vàng mầm
3.3.1. Hấp phụ của hạt vàng Duff-Baiker lên hạt silica có hóa học bề
mặt khác nhau
Ảnh TEM cho thấy khi các hạt nano silica chỉ có các nhóm
-OH trên bề mặt thì gần như không có các hạt nano vàng mầm bám lên,
mà nếu có thì các hạt nano vàng bám rất ít và không đồng đều. Trong
khi đó với các hạt nano silica có các nhóm -NH2 trên bề mặt thì các hạt
nano vàng Duff-Baiker bám trên bề mặt một cách đồng đều do có tương
tác tĩnh điện giữa các nhóm chức amin –NH2 trên bề mặt hạt nano silica
và nhóm COO- trên bề mặt hạt nano vàng Duff-Baiker.

12


Hình 9. Ảnh TEM của các hạt nano silica trước a) và sau b) chức năng
hóa bề mặt bằng APTES khi được ủ với các hạt nano vàng Duff- Baiker
trong cùng điều kiện. Độ phóng đại 40 nghìn lần

Chỉ khi kích thước các hạt vàng đủ lớn để chúng chạm vào nhau tạo
thành lớp vỏ vàng phủ kín hạt nano silica thì mới xuất hiện phổ đặc
trưng của các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ.

Hình 10. HTEM và ảnh phân tích EDX tương ứng của cấu trúc hạt
lõi silica 150nm theo tiến trình làm kín lớp vỏ kim loại vàng tương ứng
với các hạt trên hình 13(B), (C), (D). Mầu vàng tương ứng với nguyên
tố Au, mầu đỏ ứng với nguyên tố O; mầu xanh lá ứng với nguyên tố Si;
với thang đo 100 nm.

14


Thành phần và cấu trúc của hạt nano SiO2/Au cũng đã được thể
hiện trên ảnh HSEM và ảnh phân tích EDX.
3.4.2.2. Tạo lớp vỏ vàng trên các hạt lõi silica có đường kính trong
khoảng 40-150 nm
Chúng tôi đã tạo ra được các hạt nano silica với lõi có đường kính trong
khoảng 40 nm đến 150 nm và độ dày vỏ được xác định bằng ảnh TEM
thay đổi từ 10 nm đến 30 nm. Khảo sát ảnh TEM của chúng qua các
giai đoạn phát triển và phổ hấp thụ của các dung dịch sau khi quá trình
nuôi kết thúc. Với các kích thước lõi khác nhau (đường kính bằng 65
nm, 140 mnm, 180 nm) nhưng có cùng độ dày lớp vỏ 15 nm thì đỉnh cộng
hưởng plasmon càng dịch về phía sóng dài khi kích thước hạt lớn (hình
13). Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả lí thuyết thu được từ mô hình
lai khi giải thích tính chất quang của hạt SiO2/Au: khi tăng tỉ lệ đường kính
lõi/độ dày vỏ thì đỉnh hấp thụ plasmon dịch về phía sóng dài.

Hình 11. Phổ cộng hưởng plasmon chuẩn hóa của các dung dịch hạt
nano SiO2/Au với cùng độ dày lớp vỏ và các đường kính hạt lõi thay đổi.

thành và phát triển của thanh nano vàng, các thể tích khác nhau từ 0 16


500 µl của dung dịch AgNO3 (2.5mM) đã được thêm vào trong các
dung dịch nuôi.
4.2.2. Nồng độ tác nhân khử Axit ascorbic (AA)
Lượng tác nhân khử AA nồng độ 0.25 M được thay đổi từ 0-40 µl và tỷ
lệ nồng độ [AA]/[Au3+]được khảo sát từ không đủ đến dư trong khoảng
0.92 tới 2.45.
4.3. Kết quả chế tạo thanh nano vàng
4.3.1. Hình dạng và thành phần của thanh nano vàng

C- êng ®é nhiÔu x¹

100

{111}

80
60
{200}

40

{220}

20
0
10


hiệu suất tạo thanh tăng lên từ 74,5% đến 88,9 và tỉ lệ các cạnh của thanh
tăng từ 2,2 đến 4,5. Nhưng khi tỉ lệ mol của Ag+ và Au3+ trong dung dịch
lớn hơn 0.289 thì hiệu suất tạo thanh giảm từ 88,9% đến 75,6% và tỉ lệ
các cạnh của thanh giảm từ 4,5 xuống 3,2. Kết quả này cho thấy vai trò
của ion Ag+ trong quá trình phát triển thanh nano vàng.

§ é hÊp thô

5

Ag+]/[Au3+]

[

M1
M2
M3
M4
M5
M7
M9
M11

4
3
2
1
0

400

400

600

800

1000

B- í c sãng (nm)

Hình 15. Phổ hấp thụ của các dung dịch chứa các thanh nano vàng
khi tỉ lệ mol [AA]/[Au3+] thay đổi
Khi tỉ lệ mol dùng [AA]/[Au3+]  0.92 thanh nano vàng không thể
hình thành. Khi tỉ lệ mol [AA]/[Au3+]  1.22 phổ hấp thụ đều thấy xuất
hiện hai đỉnh hấp thụ đặc trưng của cấu trúc nano vàng dạng thanh. Khi
tỷ lệ [AA]/[Au3+] tăng, đỉnh plasmon 𝜆𝐿𝑆𝑃𝑅 nhận được tương ứng giảm
từ 865 nm, 829 nm và ổn đỉnh ở 806 nm khi tỷ lệ này bằng 1.84. Như
vậy AA cũng là một nhân tố đóng vai trò quan trọng trong quá trình
hình thành các thanh nano vàng cũng như điều khiển sự phát triển các
kích thước của thanh nano vàng.
4.4. Sự phụ thuộc tính chất quang của các thanh nano vàng vào
chiết suất của môi trường
4.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ CTAB lên tính chất quang của các
thanh nano vàng
4.4.2. Ảnh hưởng của các phân tử bề mặt lên tính chất quang của
các thanh nano vàng
Kết luận chương 4
Các thanh nano vàng kích thước nhỏ, đường kính thay đổi từ 10
nm – 15 nm, chiều dài thay đổi từ 20 nm – 45 nm, tỉ lệ các cạnh từ 2 4.5, có đỉnh cộng hưởng plasmon nằm trong vùng 700-900 nm đã được
19

(A), tế bào ung thư BT-474 được gắn nhãn với kháng thể IgG –HER2
trên phức hệ Au@ IgG-HER2 (B) và tế bào ung thư BT-474 được ủ với
hạt nano vàng@BSA.
Ảnh hiển vi trường tối cho thấy vai trò của hạt nano SiO2/Au
trong việc đánh dấu tế bào nhờ sự tán xạ ánh sáng của các hạt nano
vàng này làm tăng độ tương phản ảnh của tế bào cần quan sát.
5.4. Ứng dụng quang nhiệt của các cấu trúc nano vàng trên mô thịt.
Các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ và thanh nano vàng với khả năng
hấp thụ tốt ánh sáng trong vùng hồng ngoại gần được sử dụng trong
hiệu ứng này. Kết quả cho thấy với cùng điều kiện chiếu sáng thì nhiệt
độ của các mẫu tiêm hạt nano vàng đều đạt được trong khoảng là 49÷51
0
C đối với mẫu dày 1mm, 45÷46 0C đối với mẫu dày 2 mm, 40÷43 0C
đối với mẫu dày 3 mm và 33÷35 0C đối với mẫu dày 4 mm. Như vậy
các mẫu tiêm hạt nano vàng ở cùng mật độ quang tại bước sóng kích
thích thì nhiệt độ mẫu cùng độ dày là gần như nhau. Chúng tôi tính
được hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt η đối với SiO2/Au là 22% và
thanh nano vàng là 24%.
Kết luận chương 5
Trong chương này chúng tôi trình bày các thí nghiệm và kết quả
khảo sát ứng dụng của các loại hạt đã chế tạo được trong hiện ảnh tế
bào và hiệu ứng quang nhiệt trên mô thịt.
21


Kết quả cho thấy các mẫu thịt được tiêm các hạt nano vàng có cùng
độ hấp thụ tại bước sóng laser kích thích có nhiệt độ tăng từ 4-120C so với
mẫu đối chứng, tùy thuộc vào mật độ công suất chiếu tại hạt. Mật độ công
suất chiếu tại hạt càng lớn thì sự gia nhiệt càng nhiều. Hiệu suất chuyển đổi
quang nhiệt η của các mẫu tiêm hạt SiO2 /Au và thanh nano vàng tương

triển bất đẳng hướng của hạt mầm trong dung dịch. Qua đó rút ra quy
trình chế tạo phù hợp để có các thanh nano vàng có các đặc tính quang
như mong muốn.
2. Đặc tính hấp thụ plasmon của các cấu trúc nano vàng
Trên cơ sở các vật liệu đã chế tạo chúng tôi khảo sát một cách hệ thống
các đặc trưng quang học của các hạt nano vàng dạng cầu, dạng thanh
và cấu trúc lõi/vỏ
Các hạt nano vàng dạng cầu dưới 10 nm có phổ hấp thụ cộng
hưởng plasmon là một dải rộng với độ rộng bán phổ rất lớn, đỉnh hấp
thụ nằm trong dải từ 505-510 nm; các hạt có kích thước lớn hơn, phổ
hấp thụ plasmon có một đỉnh cộng hưởng với độ rộng bán phổ nhỏ hơn
rất nhiều so với độ bán rộng phổ của các hạt nhỏ. Các hạt càng lớn thì
đỉnh cộng hưởng càng dịch về phía sóng dài; khi kích thước các hạt trên
khoảng 140 nm thì phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon xuất hiện thêm
một đỉnh ở phía sóng dài là kết quả của sự tương tác giữa ánh sáng với
các mode dao động bậc cao. Các tính toán lý thuyết về tiết diện dập tắt,
tán xạ và hấp thụ phụ thuộc kích thước hạt hoàn toàn phù hợp với các
kết quả thu được từ thực nghiệm.
Khảo sát được sự phụ thuộc của phổ cộng hưởng plasmon của các
dung dịch hạt vào tỷ lệ đường kính lõi và độ dày lớp vỏ. Kết quả cho
thấy khi lượng hạt mầm vàng đủ lớn để phủ kín bề mặt hạt lõi thì phổ
cộng hưởng plasmon có hai tần số cộng hưởng và dịch về phía sóng dài
(800nm-900nm) khi tỷ lệ lõi/vỏ tăng. Từ đó rút ra các bộ thông số cho
quy trình chế tạo các hạt nano SiO2/Au có kích thước và phổ hấp thụ
plasmon phù hợp với các ứng dụng cụ thể.
23