Tài liệu Nghiên cứu chế tạo và tính chất của dây nano Co, Au và Co Au

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Lan NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA DÂY NANO Au, Co VÀ Au/Co LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Hà Nội - Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Lan NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA DÂY NANO Au, Co VÀ Au/Co Chuyên ngành: Vật lí Nhiệt Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ TUẤN TÚ Hà Nội - Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn luận văn của em là TS. Lê Tuấn Tú, người đã động viên, tạo mọi điều kiện và giúp đỡ để em hoàn thiện luận văn tốt nghiệp này. Thầy đã hướng dẫn em nghiên cứu về vấn đề thiết thực và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong khoa học Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Vật lý nhiệt độ thấp, cũng như các thầy cô trong khoa Vật lý đã giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn bên em, cổ vũ và động viên em những lúc khó khăn để em có thể vượt qua và hoàn thành tốt luận văn này. Hà Nội, ngày 19 tháng 5 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Lan MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO .......................................................3 1.1. Dây nano từ .....................................................................................................3 1.1.1. Phân loại dây nano từ.................................................................................4 1.1.2. Tính chất từ của dây nano từ .....................................................................6 1.1.3. Một số ứng dụng của dây nano từ .............................................................7 1.2. Dây nano vàng và ứng dụng của chúng ......................................................10 1.2.1. Ứng dụng làm thiết bị dò tế bào sống của dây nano vàng .......................11 1.2.2. Ứng dụng làm thiết bị phân phối gen của dây nano vàng .......................11 1.2.3. Ứng dụng làm cảm biến sinh học của dây nano vàng .............................12 1.3. Dây nano nhiều đoạn có vàng. .....................................................................13 1.3.1. Dây nhiều đoạn CoPtP/Au .......................................................................13 1.3.2.Những ứng dụng của dây nano nhiều đoạn ..............................................15 CHƢƠNG 2- CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .....................................17 2.1. Lắng đọng điện hóa ......................................................................................17 2.2. Phƣơng pháp Vol-Ampe vòng (CV)............................................................18 2.3. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................................19 2.4. Thiết bị từ kế mẫu rung (VSM) ..................................................................21 2.5. Hiển vi điện tử quét (SEM) ..........................................................................23 2.6. Phổ năng lƣợng tia X (EDS) ........................................................................25 2.7. Chi tiết thí nghiệm ........................................................................................27 CHƢƠNG 3-KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..........................................................28 3.1. Kết quả của dây Co.........................................................................................28 3.1.1. Kết quả đo Vol-Ampe vòng (CV). ..........................................................28 3.1.2. Sự phụ thuộc của mật độ dòng vào thời gian ..........................................29 3.1.3. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X. ............................................................30 3.1.4. Hình thái học ............................................................................................31 3.1.5. Tính chất từ ..............................................................................................33 3.1.6. Thành phần hóa học .................................................................................34 3.2. Kết quả của dây nano Au .............................................................................34 3.2.1. Hình thái học ............................................................................................34 3.2.2. Thành phần nguyên tố của dây ................................................................35 3.3. Dây nano nhiều đoạn Co/Au........................................................................36 3.3.1. Hình thái học ............................................................................................36 3.3.2. Tính chất từ ..............................................................................................38 KẾT LUẬN ..............................................................................................................42 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................43 DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Hình 1: Các loại dây nano. (a) dây nano một đoạn; (b) dây nano hai đoạn; (c) dây nano nhiều lớp hai thành phần; (d) dây nano hai đoạn được chức năng [9]. ...........4 Hình 2:(a) Mảng dây nano Ni với đường kính khoảng 200nm; (b) Các dây nano Co rời rạc với đường kính khoảng 70 nm. ........................................................................5 Hình 3: (a) Dây nano đơn đoạn nickel ;(b) dây nano hai đoạn nickel-gold ; (c) dây nano nhiều lớp cobalt-copper. ....................................................................................5 Hình 4: Từ trở theo chiều dọc của (a) dây nano hợp kim Bi0.85Sb0.15 đường kính 40 nm và (b) dây nano hợp kim Bi–Sb đường kính 65 nm ở nhiệt độ khác nhau ............6 Hình 5: Đường cong từ trễ của mảng dây nano nickel. Đường kính của dây là 100nm, và chiều dài là 1µm. (a) Từ trường đo H song song với trục của dây; (b) Từ trường đo H vuông góc với trục của dây. ...................................................................7 Hình 6: Quá trình hình thành chuỗi tế bào. ................................................................8 Hình 7: (a) Sự tương tự giữa một đoạn mã vạch thông thường và một dây nano kim loại nhiều lớp. Đoạn dây Nickel được lắng ở hai đầu dây với chiều dài 50 nm; (b) Sơ đồ của một xét nghiệm miễn dịch được thực hiện trên dây nano. .........................9 Hình 8: (a) Sơ đồ ghi từ song song (trên) và sơ đồ ghi từ vuông góc (dưới) (b) Thiết bị ghi từ mới sử dụng dây nano từ. ...........................................................................10 Hình 9: Ảnh SEM của dây nano vàng. ......................................................................10 Hình 10: Hình ảnh tương phản pha của huyết thanh bao phủ dây nano vàng tiếp nhận bởi tế bào HeLa (độ dài thanh ngang là 20 μm). .............................................11 Hình 11: Ảnh DIC tổ hợp và huỳnh quang của plasmid phủ lên dây nano và tế bào nguyên đơn là các protein nguyên đơn màu xanh. Các dây nano được đánh dấu bởi vòng tròn đỏ (thanh ngang dài 20 μm). ....................................................................12 Hình 12: Ảnh FE-SEM của dây nano CoPtP (a) sau khi tách rời màng; (b) nhìn cắt ngang màng chứa dây nano và ảnh dây nano CoPtP/Au (c) 4 đoạn (d) 6 đoạn. .........13 Hình 13: Phổ năng lượng của dây nano nhiều đoạn CoPtP/ Au (Bảng chỉ ra thành phần nguyên tử của dây CoPtP) ...............................................................................14 Hình 14: Đường cong từ trễ được đo ở nhiệt độ phòng của (a) dây nano CoPtP (b) dây nano CoPtP/Au ...................................................................................................14 Hình15: Đồ thị của sự phân tách His-tagged proteins từ untagged proteins (theo đường a) và phân tách kháng thêt thành poly-His từ các kháng thể khác (theo đường b) sử dụng dây nano nhiều đoạn Au/Ni/Au. ..................................................15 Hình16: Chức năng hóa dây nano Au–Ni. 1. Dây nano được ủ với AEDP. Đoạn Ni được liên kết với nhóm carboxylate. 2. Plasmids được liên kết tĩnh điện với nhóm amin của AEDP. 3. Cố định hóa bề mặt plasmid được gắn chặt bởi CaCl2. 4. Đoạn vàng được liên kết chọn lọc với hodamine-taged chuyển giao. ................................16 Hình 17: Mô hình minh họa quá trình lắng đọng điện hóa để chế tạo dây nano. ....18 Hình 18: Mô hình tổng quan của thí nghiệm CV. .....................................................19 Hình 19: Hiện tượng nhiễu xạ trên tinh thể. .............................................................19 Hình 20: Nhiễu xạ tia X góc nhỏ. ..............................................................................20 Hình 21: Sơ đồ cấu trúc cơ khí của hệ VSM .............................................................21 Hình 22: Thiết bị từ kế mẫu rung. .............................................................................23 Hình 23: Kính hiển vi điện tử quét ............................................................................24 Hình 24: Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS)..........................................................26 Hình 25: Sơ đồ tổng hợp dây nano bằng phương pháp lắng đọng điện hóa. ...........27 Hình 26: Ảnh SEM của màng PC .............................................................................28 Hình 27: Kết quả đo CV của dung dịch Co ..............................................................29 Hình 28: Sự phụ thuộc của mật độ dòng vào thời gian ............................................30 Hình 29: Phổ nhiễu xạ tia X của dây nano Co .........................................................31 Hình30: Hình ảnh dây nano Co khi chưa tách khuôn ..............................................32 Hinh 31: Hình ảnh dây nano Co sau khi đã tách khuôn ...........................................32 Hình 32: Đường cong từ trễ của dây nano Cobalt ...................................................33 Hình 33: Phổ tán sắc năng lượng của dây nano Cobalt...........................................34 Hình 34: Ảnh SEM của các dây nano Au sau khi loại bỏ màng ...............................35 Hình 35: Phổ tán sắc năng lượng của dây nano Au. ................................................35 Hình 36: Ảnh SEM của dây nano nhiều đoạn sau khi tách màng với các kích thước đoạn khác nhau (a): chiều dài lớn nhất của các đoạn Co tương ứng là 450 nm và (b):chiều dài lớn nhất của các đoạn Co tương ứng là 2000 nm. ..............................37 Hình 37: Đường cong từ trễ của các mảng dây với từ trường đo đặt song song và vuông góc với trục của dây trong các trường hợp: ..................................................38 Hình 38: Sự phụ thuộc của trường dị hướng Hk vào chiều dài các đoạn dây Co ....39 Hình 39: Sự phụ thuộc của năng lượng dị hướng vào chiều dài đoạn dây Co ........40 Bảng 1: Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc vào chiều dài đoạn dây từ tính .............41 MỞ ĐẦU Trong hàng thế kỷ qua, sự bùng nổ không ngừng của khoa học đã liên tục mở rộng tầm hiểu biết của con người. Trong những năm gần đây, chúng ta đã biết tới khái niệm của một kích thước rất nhỏ-kích thước nano-bằng một phần tỉ mét. Bằng việc tìm hiểu và nghiên cứu về thế giới kích thước nano, các nhà khoa học và kỹ sư đang ngày càng tăng khả năng điều khiển các tính chất và những ứng dụng mới lạ của vật chất. Công nghệ nano là một lĩnh vực vô cùng lớn của khoa học và công nghệ. Nó nghiên cứu cách thức tổng hợp, tính chất và ứng dụng của các loại cấu trúc và vật liệu với ít nhất một chiều có kích thước cỡ nano mét. Đặc biệt, tính chất vật lý và hóa học của vật liệu có thể cải thiện đáng kể hoặc biến đổi hoàn toàn khi kích thước của chúng giảm tới kích cỡ nano. Hiệu ứng của hiện tượng giam cầm lượng tử là một ví dụ. Quan trọng hơn nữa, sự xuất hiện của các khái niệm và những ứng dụng của công nghệ nano không chỉ giới hạn trong lĩnh vực khoa học vật lý mà còn có thể được ứng dụng trong lĩnh vực của khoa học cuộc sống và y học. Những vật liệu nano như hạt nano hay dây nano với cấu trúc cơ bản có thể tổ hợp thành những cấu trúc lớn hơn nữa như hệ thống vi cơ, mạch điện tử nano tới những hệ chip máy tính, các cảm biến,… Đối tượng nghiên cứu của công nghệ nano là vật liệu nano. Vật liệu nano gồm các hạt nano (các chiều đều có kích thước nano), dây nano (hai chiều có kích thước nano) và màng nano (một chiều có kích thước nano). Vật liệu nano sỡ hữu những tính chất điện, từ, phản ứng hóa học hoặc phản xạ ánh sáng khác với khi chúng ở kích thước bình thường. Hai phương pháp thường sử dụng để chế tạo vật liệu nano là “từ trên xuống” và “từ dưới lên”. Phương pháp “từ trên xuống” tạo ra cấu trúc nano bằng các kỹ thuật như cơ học, in lưới, …Trong khi đó, phương pháp “từ dưới lên” còn gọi là công nghệ nano phân tử , tạo ra các vật liệu hữu cơ và vô cơ thành những cấu trúc xác định. Nguyên lý của phương pháp này là hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc các ion. Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Phần lớn 1 các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo bằng phương pháp này. Ưu điểm của phương pháp này: tiện lợi, kích thước các hạt nano tạo ra tương đối nhỏ, đồng đều, trang thiết bị phục vụ cho phương pháp này cũng rất đơn giản. Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hơp cả hai phương pháp hóa-lý. Cụ thể, trong phương pháp thứ hai, các vật liệu nano hình thành sử dụng phương pháp lắng đọng điện hóa từ dung dịch chất lỏng hoặc sử dụng phương pháp bốc bay (CVD). Phương pháp tổng hợp vật liệu nano từ dung dịch chiếm lợi thế hơn vì nó có thể sản xuất dây nano với số lượng lớn với chi phí tương đối thấp và cơ sở hạ tầng không quá đắt đỏ. Trong khi phương pháp bốc bay chủ yếu dùng để tổng hợp vật liệu bán dẫn, thì phương pháp lắng đọng sử dụng dung dịch được ứng dụng cho cả cấu trúc kim loại và bán dẫn [3]. Hiện nay, phương pháp chế tạo và những đặc trưng từ tính của cấu trúc nano một chiều đã tạo ra cho chúng những tính chất từ như mong đợi, hướng tới những ứng dụng đáng kể trong ghi từ vuông góc mật độ vô cùng cao, thử nghiệm sinh vật học, sensor dây nano và các thiết bị điện tử từ, trong phân tách tế bào và đánh dấu từ trong y sinh [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Việc điều khiển chính xác trong quá trình chế tạo dây nano để thu được mẫu cụ thể với những chiều và sự định hướng được phân biệt rõ ràng là một thách thức với các nhà khoa học. Đặc biệt, so với các dây nano đơn đoạn thì dây nano nhiều đoạn hiện nay đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học bởi khả năng chức năng hóa đa dạng và tính chất đăc trưng, ưu việt hơn của chúng. Loại dây nano này là một loại vật liệu mới trong thế giới vật liệu nano và đang thử thách các nhà khoa học. Cho đến nay, có rất ít phòng thí nghiệm trên thế giới có thế tổng hợp và ứng dụng dây nano nhiều đoạn và chưa có một báo cáo chính thức nào về việc chế tạo thành công loại dây này ở Việt Nam. Vì vậy, nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào chế tạo và khảo sát tính chất của dây nano đơn đoạn và nhiều đoạn, cụ thể là dây nano Co, Au và dây nano nhiều đoạn Co/Au. Phương pháp lắng đọng điện hóa với những ưu điểm tuyệt vời đã được chúng tôi chọn để tổng hợp dây nano trên. Nội dung của luận văn được trình bày như sau: Chương 1: Tổng quan về dây nano Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm. 2 Chương 3: Kết quả và thảo luận. CHƢƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO Trong suốt hai thập kỷ qua, dây nano liên tục thu hút sự quan tâm của giới khoa học bởi những tính chất mới mẻ của chúng khi kích thước của chúng được giảm xuống kích thước nano. Rất nhiều ứng dụng của dây nano được nhìn thấy trong cấu trúc của sensor hoặc trong các mạch điện tử (bộ nhớ) [11, 12]. Các dây nano thường ở dạng vật liệu rắn, vật liệu dạng thanh với đường kính từ 5 nm đến 500 nm và hầu hết được hình thành từ kim loại, hợp kim hoặc oxit kim loại. 1.1. Dây nano từ Sự hình thành của các nguyên tố từ và hợp chất (Fe, Co, Ni, FeNi, CoNi, FeCoNi…) bằng phương pháp lắng đọng điện hóa trong các màng có lỗ nano cho phép chúng ta thu được mảng dây nano từ, chấm nano từ, ống nano từ và vòng nano từ với độ sắp xếp cao. Những ứng dụng của các hạt nano từ đang ngày càng tăng trong sinh học và y học như ứng dụng truyền tính trạng ép buộc, chữa bệnh ung thư, và cảm biến sinh học. Hầu hết các hạt nano từ được đưa vào ứng dụng có hình cầu, gồm một lõi từ và một lớp cho phép sự chức năng hóa phối tử hoạt hóa sinh học để thực hiện các mục đích ứng dụng trong y sinh. Từ khi các ứng dụng của hạt nano từ ngày càng phổ biến trong y học và công nghệ sinh học, một thách thức được đặt ra là làm sao để các hạt nano từ thực hiện được nhiều chức năng khác nhau. Và vì vậy, một dạng mới của hạt nano từ với tiềm năng ứng dụng đáng kể trong sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực từ sinh học là dây nano từ. Dây nano có cấu trúc không đẳng hướng với tỉ số xếp chặt rất cao. Nhờ sở hữu những tính chất độc nhất và khá khác biệt so với chính chúng ở vật liệu sắt từ khối, dây nano đơn đoạn và dây nano nhiều đoạn hứa hẹn nhiều ứng dụng trong lĩnh vực điện tử, quang học, từ, điện nhiệt, các thiết bị cảm ứng. Đặc biệt, cấu trúc và thành phần của một dây nano có thể được điều chỉnh chính xác dọc theo trục của dây và đồng thời dẫn đến sự điều khiển chính xác tính chất từ tùy theo những ứng dụng y sinh cụ thể [13]. Hầu hết các dây nano từ ứng dụng trong y sinh là hình trụ kim loại được lắng đọng điện hóa trong các khuôn có lỗ nano. Bán kính của chúng có thể được điều 3 chỉnh trong khoảng từ 5 nm đến 500 nm và chiều dài của chúng có thể lên tới 60 µm. Rất nhiều các tính chất từ quan trọng như nhiệt độ Curie, trường kháng từ, trường bão hòa, từ độ bão hòa, từ dư và trục trễ từ hóa có thể được biến đổi bằng cách thay đổi đường kính, độ dày và thành phần của các đoạn dây từ/không từ trong dây nano nhiều đoạn. Hình 1 minh họa dị hướng hình dạng vốn có của dây nano và các dây nano được chức năng hóa [13]. Hình 1: Các loại dây nano. (a) dây nano một đoạn; (b) dây nano hai đoạn; (c) dây nano nhiều lớp hai thành phần; (d) dây nano hai đoạn được chức năng [9]. Trong phần này, chúng tôi sẽ giới thiệu về các loại dây nano cơ bản, tính chất và ứng dụng của dây nano từ. 1.1.1. Phân loại dây nano từ 1.1.1.1. Mảng dây nano và dây nano rời rạc Trong hầu hết các ứng dụng, các dây nano có thể ở dạng mảng hoặc rời rạc. Hình 2(a) là ví dụ về mảng dây nano Ni với đường kính khoảng 200nm. Hình 2(b) là các dây Co riêng rẽ với đường kính khoảng 70 nm. Trong những ứng dụng sinh học, dây nano rời thường được treo lơ lửng trong các dung dịch [13]. 4 Hình 2:(a) Mảng dây nano Ni với đường kính khoảng 200nm; (b) Các dây nano Co rời rạc với đường kính khoảng 70 nm. 1.1.1.2. Dây nano đơn đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp Dây nano đơn đoạn là các dây hình thành từ một chất duy nhất. Các dây nano được tổng hợp từ ít nhất hai chất được gọi là dây nano nhiều đoạn. Hình 3(a) là một phần của dây nano Nickel đơn đoạn. Một dây nano đơn đoạn có thể được làm từ một nguyên tố kim loại, một hợp chất hoặc một oxit. Hình 3(b) là một phần của dây nano hai đoạn nickel-gold. Hình 3(c) là một phần của dây nano nhiều lớp cobalt-copper. Hình 3: (a) Dây nano đơn đoạn nickel ;(b) dây nano hai đoạn nickel-gold ; (c) dây nano nhiều lớp cobalt-copper. 5 1.1.2. Tính chất từ của dây nano từ Các tính chất từ của dây nano từ tính như lực kháng từ, trường khử từ, từ dư, từ độ bão hòa phụ thuộc rất mạnh vào kích thước và cấu trúc của các dây nano. 1.1.2.1. Trƣờng khử từ Khi một vật chịu tác dụng của từ trường ngoài, từ trường bên trong vật thường gọi là trường khử từ. Trường này có xu hướng khử từ vật liệu. Trường khử từ, Hd, tỉ lệ với từ độ M nhưng ngược hướng với từ độ M và được cho bởi công thức: Hd =−NdM (1.1) Trong đó hệ số khử từ Nd phụ thuộc vào hình dạng của vật [13]. Tổng dị hướng từ của dây nano từ bị ảnh hưởng khá lớn bởi dị hướng từ, hình dạng của dây và trường khử từ giữa các dây [14]. 1.1.2.2 Từ trở Nghiên cứu tính chất từ trở (MR) của dây nano cung cấp khá nhiều thông tin về hiệu ứng lượng tử, tán xạ biên dây của các điện tử. Đỉnh cực đại từ trở MR theo chiều dọc ở một trường tác dụng cụ thể (B) theo trục dây biến đổi tuyến tính với sự đối xứng của đường kính dây ở một nhiệt độ xác định. Từ trở của dây nano phần lớn phụ thuộc và đường kính của dây. Sự xuất hiện của cực đại được phân bố theo hiệu ứng kích thước cổ điển [15]. Hình 4: Từ trở theo chiều dọc của (a) dây nano hợp kim Bi0.85Sb0.15 đường kính 40 nm và (b) dây nano hợp kim Bi–Sb đường kính 65 nm ở nhiệt độ khác nhau 6 1.1.2.3. Đƣờng cong từ trễ Đường cong từ trễ của một mẫu cho biết sự phản ứng của mẫu với từ trường ngoài đặt vào mẫu, và theo lý thuyết, đường cong từ trễ của của một mẫu bất kỳ có thể thu được nhờ cực tiểu hóa tổng năng lượng tự do của vật trong từ trường ngoài. Đường cong từ trễ một vật bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như vật liệu và cấu trúc vi mô của vật, hình dạng và kích thước của vật, hướng của trường từ hóa và lịch sử từ hóa của mẫu. Để miêu tả một đường cong từ trễ của một mẫu, chúng ta thường sử dụng các tham số như từ độ bão hòa Ms, từ dư Mr, trường bão hòa Hsat và lực kháng từ Hc. Hai loại đường cong từ trễ của một mảng dây nano sắt từ đơn đoạn được minh họa như trên hình 5 [13]. Hình 5: Đường cong từ trễ của mảng dây nano nickel. Đường kính của dây là 100nm, và chiều dài là 1µm. (a) Từ trường đo H song song với trục của dây; (b) Từ trường đo H vuông góc với trục của dây. 1.1.3. Một số ứng dụng của dây nano từ 1.1.3.1. Thao tác phân tử sinh học Phân tử sinh học có thể được thao tác sử dụng dây nano dưới tác dụng của từ trường ngoài và là nền tảng của các ứng dụng y sinh của dây nano từ. Thông 7 thường, thao tác phân tử sinh học sử dụng dây nano từ dựa trên liên kết giữa các phân tử sinh học và dây nano từ. Khả năng tổ chức không gian các tế bào sống là quan trọng trong rất nhiều các ứng dụng y sinh như cảm biến sinh học. Một nghiên cứu về tổ chức không gian của các tế bào mammalian sử dụng dây nano sắt từ trong sự kết hợp với mảng nam châm mẫu đã được thực hiện. Trong hình 6, các tế bào đã được treo bởi các dây nano để tự lắp ráp thành chuỗi dưới tác dụng của từ trường ngoài để sắp xếp các dây nano. Các tế bào sẽ lắng xuống trong môi trường nuôi và các dây nano tương tác với nhau bởi lực hút dipole-dipole gây ra bởi momen từ của chúng. Cuối cùng, chuỗi tế bào được hình thành ở đáy của đĩa nuôi và có thế kéo dài ra tới hàng trăm micro mét. Bởi vì lực tương tác nội trong các dây không đủ mạnh để di chuyển các tế bào theo chất nền nên quá trình xâu chuỗi tế bào ngừng lại khi tất cả các tế bào nằm trên mặt chất nền. Các tế bào không chứa dây sẽ phân bố ngẫu nhiên trong chất nền [13]. Hình 6: Quá trình hình thành chuỗi tế bào. 1.1.3.2. Hệ cảm biến sinh học treo. Ứng dụng của dây kim loại nhiều lớp trong định dạng treo cho xét nghiệm miễn dịch một cách nhanh chóng và nhạy đã được nghiên cứu. Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ cảm biến sinh học treo được minh họa như trên hình 7(b). Trong một hệ cảm biến sinh học treo, đối tượng của phép phân tích được giữ lại và được lai hóa trong dung dịch. Để đảm bảo dây nano có thể được thao tác bởi từ trường ngoài, người ta phải trộn thêm một thành phần kim loại sắt từ phù hợp, ví dụ như 8 nickel. Thông thường, đoạn dây nickel ở vị trí hai đầu của dây nano có chiều dài khoảng 25 nm đến 150 nm. Trục dễ từ hóa của các đoạn dây từ hình đĩa vuông góc với trục của dây nên các dây nano nay sắp xếp vuông góc với tường tác dụng [13]. Hình 7: (a) Sự tương tự giữa một đoạn mã vạch thông thường và một dây nano kim loại nhiều lớp. Đoạn dây Nickel được lắng ở hai đầu dây với chiều dài 50 nm; (b) Sơ đồ của một xét nghiệm miễn dịch được thực hiện trên dây nano. 1.1.3.3. Ghi từ Ghi từ là một phương pháp lưu giữ âm thanh, hình ảnh và dữ liệu trong dạng của tín hiệu điện thông qua việc chọn lọc các phần từ hóa của một vật liệu từ. Phương pháp truyền thống là ghi từ song song. Phương pháp này không phù hợp cho ghi mật độ cao vì hướng từ hóa chống lại lẫn nhau và làm suy yếu tính chất từ của chúng, đồng thời diện tích của một “bít từ” lớn nên dung lượng thấp. Trong những năm gần đây, người ta đã ứng dụng ghi từ vuông góc để tăng mật độ lưu giữ thông tin. Trong ghi từ vuông góc, các “bit từ” hướng lên và xuống vuông góc với mặt đĩa [16]. 9 (a) (b) Hình 8: (a) Sơ đồ ghi từ song song (trên) và sơ đồ ghi từ vuông góc (dưới) (b) Thiết bị ghi từ mới sử dụng dây nano từ. 1.2. Dây nano vàng và ứng dụng của chúng Là phần không thể thiếu của vật liệu nano, dây nano vàng giữ một vai trò quan trọng trong việc chế tạo ra các thiết bị kích cỡ nano và ứng dụng của công nghệ nano trong khoa học cuộc sống. Hình 9 minh họa hình ảnh hiển vi điện tử quét SEM của dây nano vàng với đường kính trung bình khoảng 200 nm với sự đồng nhất cao. Hình 9: Ảnh SEM của dây nano vàng. 10 Dây nano vàng có những ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực như điện tử nano, quang học và cảm biến. Ngày nay, có nhiều phương pháp được sử dụng để tổng hợp các dây nano vàng trong đó nổi bật như phương pháp lắng đọng điện hóa, lắng đọng hơi hóa học và các phương pháp vật lý khác [17]. 1.2.1. Ứng dụng làm thiết bị dò tế bào sống của dây nano vàng Vật liệu nano dùng cho nghiên cứu tế bào sống cần phải bền vững trong môi trường nội tế bào và không làm nhiễu các hoạt động sinh hóa của tế bào. Thực tế, dây nano vàng được lựa chọn là vật liệu hàng đầu trong ứng dụng này. Khả năng kết nối các chuỗi thứ cấp của các hạt vàng tới các loại tế bào xác định đã được khảo sát. Các dây nano vàng được chức năng hóa với chuỗi ion dương và ion âm. Các biến đổi cacbon trên các dây nano vàng được chứng minh là vô hại tới các tế bào và đặc biệt các hạt vàng liên quan tới các tương tác của chúng với các màng tế bào. Hình 10: Hình ảnh tương phản pha của huyết thanh bao phủ dây nano vàng tiếp nhận bởi tế bào HeLa (độ dài thanh ngang là 20 μm). Để quan sát quá trình thu nhận dây nano, hình 10 đã chỉ ra dây nano vàng dài 5 μm bán kính 200 nm được phủ bởi huyết thanh được đăt trên một đĩa nuôi bằng thủy tinh. Toàn bộ hệ được đặt trong lồng ấp CO2 trên một kính hiển vi được đảo ngược [15]. 1.2.2. Ứng dụng làm thiết bị phân phối gen của dây nano vàng Trong những báo cáo gần đây, để khảo sát khả năng phân phối phân tử DNA vào trong tế bào thông qua dây nano, dây vàng dài 5 μm được chức năng hóa với aminothiols. Aminothiols bao phủ bề mặt dây với các điện tích dương. Các phân tử 11 DNA plasmid được tích điện âm được liên kết với các dây nano qua tương tác tĩnh điện. Dây nano vàng chiều dài 5 μm đã được chức năng hóa và được bao phủ bởi plasmid được định xứ bên trong tế bào. Hình 11 cho thấy DIC tổ hợp và ảnh đồng tiêu của tế bào nguyên sợi sử dụng dây nano vàng như là thiết bị mang gen. Dây nano vàng aminothiol dài cỡ micro mét được biến đổi không chỉ bảo vệ phân tử DNA plasmid khỏi việc bị giảm phẩm chất mà còn cắt dòng DNA plasmid bên trong tế bào [15]. Hình 11: Ảnh DIC tổ hợp và huỳnh quang của plasmid phủ lên dây nano và tế bào nguyên đơn là các protein nguyên đơn màu xanh. Các dây nano được đánh dấu bởi vòng tròn đỏ (thanh ngang dài 20 μm). 1.2.3. Ứng dụng làm cảm biến sinh học của dây nano vàng Một cảm biến sinh học sử dụng các dây nano vàng thẳng hàng trong một chất nền lỏng vĩ mô được đề xuất sử dụng cho phép xác định độ nhạy và chọn lọc các phần tử sinh học như cholesterol trong máu. Các dây nano vàng xếp thẳng hàng được biến đổi với enzim riêng, oxidaza cholesterol và esterase cholesterol sử dụng đồng hóa trị có tác dụng như các điện cực làm việc. Việc xác định cholesterol được tiến hành qua sự hút bám của các enzim riêng biệt ấy [8]. Dây nano vàng sau khi được tổng hợp được sử dụng để kết hợp kháng thể testosterone lên trên bề mặt thiết bị dò. Sự có mặt của dây vàng cung cấp vi môi trường sinh học tương thích cho phân tử sinh học, khuếch đại lớn một lượng phân tử cố định trên bề mặt điện cực, và cải thiện độ nhạy của cảm biến kháng nguyên [17]. 12