Tài liệu Nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của hạt nano vàng định hướng ứng dụng trong diệt tế bào ung thư

.. 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, 3aminopropyltriethoxysilan 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 (EMElectrical 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 Trong đó , , et (5) 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 đãnhận 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 EinsteinStokes: (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 2 - Xét trong không gian 3 chiều: r  6Dt (22) - Xét trong không gian 2 chiều: r2  4Dt (23) - Xét trong không gian 1 chiều: 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