Nghiên cứu chế tạo hạt nano vàng bằng phương pháp ăn mòn Laser và triển vọng ứng dụng trong y sinh - Nguyễn Quang Đông

Nguyễn Quang Đông và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 89(01/2): 331 – 335 331 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO VÀNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN LASER VÀ TRIỂN VỌNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH Nguyễn Quang Đông*, Nguyễn Bích Thảo, Trần Mạnh Hùng Trường Đại học Y Dược – Đại học Thái Nguyên TÓM TẮT Trong bài báo này chúng tôi trình bày các kết quả thí nghiệm về chế tạo hạt nano vàng. Đây là phương pháp có thể tạo ra các hạt nano có độ tinh khiết cao. Các hạt nano vàng đã được tạo ra trong ethanol và PVP. Phổ hấp thụ của các hạt nano vàng được đo bởi máy quang phổ UV – VIS. Các phép đo TEM và quang phổ được thực hiện để xác định kích thước trung bình và phân bố kích thước của các hạt. Các hạt nano vàng đã được tạo ra có kích thước trung bình 12,9 nm trong ethanol và 14 nm trong PVP do sự hấp thụ cộng hưởng plassmon bề mặt khi sử dụng bước sóng 1064nm của laser Nd: YAG. Các kết quả này phù hợp với lý thuyết và cho thấy ưu điểm của phương pháp ăn mòn laser. Từ khoá: Hạt nano vàng, ăn mòn laser, cộng hưởng Plasmon ĐẶT VẤN ĐỀ* Trong những năm gần đây hạt nano vàng đã thu hút rất nhiều sự quan tâm chú ý của các nhà khoa học trên thế giới do những ứng dụng tiềm năng của nó trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong y, sinh học. Hạt nano được chế tạo bằng nhiều phương pháp như phương pháp khử hóa học, phương pháp khử vật lý, phương pháp khử hóa lý, phương pháp khử sinh học, phương pháp ăn mòn laser. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng, tuỳ theo mục đích chế tạo mà có sự chọn lựa phương pháp phù hợp [1], [3] Trong thí nghiệm này chúng tôi chọn phương pháp ăn mòn laser. Phương pháp ăn mòn laser là một quá trình loại bỏ các vật liệu từ một vật liệu rắn (hoặc đôi khi ở dạng lỏng) khi chiếu lên bề mặt của nó một tia laser (Hình 1). Cơ chế hình thành và lớn lên của hạt nano khi ăn mòn kim loại bằng laser xung trong chất lỏng được giải thích bằng mô hình của Mafune và các cộng sự. Theo mô hình này chùm laser xung ăn mòn bia kim loại trong quá trình chiếu laser. Vật liệu ăn mòn, được gọi là đám vật chất (plume) tràn vào môi trường chất lỏng. Các hạt nhỏ như là các nguyên tử tự do hoặc cụm nguyên tử (cluster) va chạm với * Tel: 0974 974888 nhau và tạo thành hạt trong quá trình ăn mòn. Trong vài xung đầu tiên, chỉ có môi trường chất lỏng bao quanh đám vật chất sinh ra và các mảnh kim loại trong đám vật chất này kết tụ tạo nên các hạt nano kim loại. Sau đó các hạt nano phân tán vào môi trường chất lỏng và những hạt này trở thành các tâm kết tụ cho các mảnh kim loại kế tiếp. Ở giai đoạn này có hai cơ chế đóng góp vào quá trình tạo hạt. Cơ chế thứ nhất là kết hạt trực tiếp của kim loại trong đám vật chất tương tự như trong giai đoạn đầu. Cơ chế thứ hai là sự thêm các nguyên tử hoặc cụm nguyên tử vào các hạt đã sinh ra trước đó và làm cho chúng tăng kích thước. Như vậy, khi cả hai cơ chế này xuất hiện sẽ dẫn đến phân bố kích thước mở rộng. Tốc độ tăng kích thước của các hạt nano tùy thuộc vào số hạt được tạo thành trong giai đoạn đầu và tính phân cực của phân tử môi trường chất lỏng. Trong chất lỏng, các hạt nano kim loại tích điện bề mặt. Do tương tác giữa các phân tử môi trường chất lỏng và các hạt nano tích điện bề mặt, một lớp điện tích kép bao quanh bề mặt các hạt nano. Các phân tử có momen lưỡng cực cao tạo nên liên kết mạnh hơn với bề mặt hạt nano do đó lực đẩy tĩnh điện nhờ bao bọc bởi lớp điện tích kép sẽ ngăn cản sự tăng kích thước hạt tốt hơn. Ví dụ, các phân tử phân cực như là nước tạo nên một lớp điện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Quang Đông và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 89(01/2): 331 – 335 332 tích kép mạnh bao quanh hạt nano vàng. Do tương tác điện giữa các mảnh trong đám vật chất và lớp điện tích này sự tăng kích thước bị hạn chế trong quá trình ăn mòn. Kết quả là các hạt nano kim loại được tạo thành. Tính phân cực thấp hơn của phân tử chất lỏng (ví dụ ethanol) tạo thành lớp điện tích kép yếu dẫn đến tăng kích thước hạt và kết tụ mạnh [2], [4]. Sau khi ăn mòn, quá trình tạo hạt dừng lại và sự kết tụ vẫn tiếp tục. Tốc độ kết tụ tùy thuộc vào sự tương tác của phân tử môi trường chất lỏng với các nguyên tử bề mặt của hạt nano và tương tác giữa các hạt nano với nhau. Tương tác bề mặt giữa các hạt nano có thể tạo thành một dung dịch keo bền vững hay là phân tán, kết tụ, kết nối và tạo thành cấu trúc giống như dây. Trong khi đó tương tác giữa các hạt nano với nhau phụ thuộc vào lực đẩy và lực hút giữa chúng, ví dụ lực hút Van der Waals gây nên kết tụ và lực đẩy tĩnh điện nhờ bao quanh bởi lớp điện tích kép ngăn cản kết tụ. Hình 1. Mô hình ăn mòn laser Phương pháp ăn mòn laser khá hữu hiệu để tạo ra các hạt nano của vật liệu bán dẫn và kim loại. So với các phương pháp khác, phương pháp ăn mòn laser là một phương pháp khá đơn giản, các hạt nano được chế tạo không bị nhiễm bẩn bởi chất khử, đặc biệt có thể điều khiển được kích thước hạt [5] Trong bài báo này chúng tôi trình bày về phương pháp chế tạo hạt nano vàng bằng phương pháp ăn mòn laser trong môi trường dung dịch cồn và PVP. THỰC NGHIỆM Để ăn mòn laser chúng tôi sử dụng bước sóng 1064nm của laser Nd:YAG (Quanta Ray Pro 230 USA) đặt ở chế độ Q-switching cho xung laser 8ns, tần số lặp lại 10Hz. Nhờ một hệ quang học, chùm laser được hội tụ lên bề mặt tấm kim loại Au đặt trong một cuvet chứa nước hoặc cồn. Hệ quang học được nghiên cứu, thiết kế có thông số và vị trí thích hợp, dễ dàng điều chỉnh và lặp lại vị trí chính xác. Để thay đổi vị trị ăn mòn trên bề mặt kim loại và hạn chế hiệu ứng kết tụ, cuvet chứa tấm kim loại được quay trong quá trình ăn mòn laser. Kim loại vàng được ăn mòn trong thí nghiệm này có độ tinh khiết 99.9% được gia công thành những miếng nhỏ có đường kính khoảng 1cm, độ dày 1 mm. Tấm vàng được quay trong quá trình ăn mòn laser bằng hệ xoay (9 vòng/phút). Các dung dịch được sử dụng là: cồn nguyên chất, PVP (hình 2). Hình 2. Sơ đồ hệ ăn mòn laser Phổ hấp thụ của các mẫu hạt nano Au được xác định bằng máy quang phổ UV-VIS 2450 (Shimadzu). Các mẫu hạt nano Au tạo ra được khảo sát nhờ kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) JEM-1200EX (80 kV) tại Viện vệ sinh dịch tễ trung ương. Kích thước hạt nano Dung dich chất hoạt hoá bề mặt Thấu kính Xung Laser Miếng kim loại Thấu kính Hệ xoay Lăng kính Khối kim loại Dung dịch Nd:YAG laser Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Quang Đông và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 89(01/2): 331 – 335 333 Au được xác định bởi phần mềm1,37V của Wayne Rasband (USA). Phân bố kích thước của các hạt nano Au được xác định nhờ đo đường kính của hơn 700 hạt và sử dụng phần mềm Origin7.5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Chế tạo hạt nano vàng trong Ethanol Chúng tôi chuẩn bị mẫu ethanol và tiến hành ăn mòn trong 15 phút với công suất laser trung bình là 400mW. * Phổ hấp thụ UV - VIS của hạt nano vàng Mẫu được đo ở dạng dung dịch màu. Mẫu sẽ được cho vào một cuvet còn cuvet thứ hai đựng chất so sánh ở đây là ethanol được sử dụng trong quá trình chế tạo mẫu. Sau khi cuvet được đặt vào gá mẫu sẽ được đưa vào buồng đo mẫu. Đậy kính nắp buồng đo mẫu để đảm bảo buồng đo mẫu là hoàn toàn tối không có ánh sáng bên ngoài lọt vào. Sau mỗi phép đo, cuvet được tráng dụng cụ bằng nước cất. Số liệu sẽ được lưu trữ dạng file text được xử lý bằng phần mềm origin 7.5. Các mẫu tạo được đã được đo bằng máy UV-2450 tại Trung tâm khoa học vật liệu - Đại học Khoa Học Tự Nhiên. Hình 3. trình bày phổ hấp thụ của hạt nano vàng trong ethanol tinh khiết. Hình 3. Phổ hấp thụ của hạt nano vàng trong ethanol Từ hình 2, ta thấy sự xuất hiện của đỉnh phổ hấp thụ đặc trưng là 525 nm của hạt nano vàng, từ đó có thể khẳng định rằng đã chế tạo thành công hạt nano vàng. Điều này phù hợp với lý thuyết về đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmo bề mặt của các hạt nano vàng. * Xác định kích thước hạt nano vàng chế tạo được: Để xác định kích thước hạt cũng như sự phân bố kích thước hạt, chúng tôi tiến hành đo kích thước hạt vàng trong aceton tinh khiết bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Ảnh TEM của mẫu thu được như hình 4: Hình 4. Ảnh TEM hạt nano vàng trong ethanol, thời gian t=15 phút Quan sát trên hình 4, ta thấy các hạt nano vàng có kích thước nano với hình dạng gần với hình cầu. Phân bố kích thước hạt được thể hiện trên hình 5: Hình 5. Phân bố kích thước hạt nano vàng trong ethanol Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Quang Đông và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 89(01/2): 331 – 335 334 Từ hình 5. ta thấy rằng các hạt nano vàng phân bố không đồng đều trong khoảng từ 5 – 20 nm. Kích thước trung bình của các hạt nano vàng được tạo ra trong ethanol là 12,9 nm. Chế tạo hạt nano vàng trong PVP Với cách làm tương tự, chúng tôi chuẩn bị mẫu PVP 0,005M và tiến hành thí nghiệm ăn mòn trong 20 phút với công suất laser trung bình là 400mW. * Phổ hấp thụ UV – VIS Phổ hấp thụ của hạt nano vàng trong PVP được thể hiện trên hình 6: Hình 6. Phổ hấp thụ của hạt nano vàng trong PVP 0,005M Từ hình 6, ta thấy xuất hiện đỉnh phổ hấp thụ đặc trưng là 522 nm của hạt nano vàng, từ đó có thể khẳng định rằng đã chế tạo thành công hạt nano vàng trong PVP. * Xác định kích thước hạt nano vàng chế tạo được: Bằng cách đo kích thước hạt vàng trong PVP khiết bằng kính hiển vi điện tử truyền qua. Ảnh TEM của mẫu thu được như hình 7: Quan sát trên hình 7, ta thấy các hạt nano vàng có kích thước nano với hình dạng gần với hình cầu. Phân bố khíc thước hạt được thể hiện trên hình 8: Hình 8. Phân bố kích thước hạt nano vàng trong PVP 0,005M Từ hình 8. ta thấy rằng các hạt nano vàng phân bố không đồng đều chủ yếu trong khoảng từ 5 – 25 nm. Kích thước trung bình của các hạt nano vàng được tạo ra trong ethanol là 14 nm. Triển vọng ứng dụng hạt nano vàng trong y sinh Hạt nano vàng được sử dụng trong y sinh học để đánh dấu tế bào. Nguyên tắc ứng dụng hạt nano kim loại quý trong đánh dấu tế bào như sau: hạt nano vàng được gắn kết với kháng thể đặc hiệu kháng tế bào ung thư, sau đó gắn lên mẫu bệnh có tế bào ung thư. Nhờ liên kết kháng nguyên - kháng thể đặc hiệu mà hạt nano gắn lên bề mặt của tế bào. Chiếu ánh sáng lên tế bào thì do khả năng tán xạ mạnh của hạt nano vàng mà các tế bào ung thư sẽ được phân biệt với các tế bào thường không có khả năng tán xạ. Kết quả cho thấy nếu không gắn với kháng thể kháng tế bào ung thư thì hạt nano vàng không gắn lên tế bào ung thư. Khi có kháng thể gắn với hạt nano vàng, hạt nano vàng bám lên các tế bào. Dưới ánh sáng hiển vi trường tối, các tế bào này phát sáng rất mạnh, khác biệt hẳn với các tế Hình 7. Ảnh TEM hạt nano vàng trong ethanol, thời gian t=15 phút Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Quang Đông và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 89(01/2): 331 – 335 335 bào khi không có hạt nano vàng gắn kết. Hơn nữa, bề mặt hạt nano vàng có thể kết hợp với phân tử thuốc, phân tử sinh học như DNA, các loại protein như enzyme, kháng thể cho nhiều ứng dụng y học khác nhau. Ngoài ra có thể nghiên cứu ứng dụng hạt nano vàng để phân tách tế bào, dẫn thuốc, nung nóng cục bộ Hạt nano vàng cũng có khả năng diệt khuẩn được pha chế với rượu, tạo ra rượu nano vàng có chức năng phòng độc rất tốt. KẾT LUẬN Bằng việc nghiên cứu phương pháp ăn mòn laser để chế tạo hạt nano kim loại, chúng tôi đã chế tạo thành công hạt nano vàng trong ethanol và PVP. Thành công bước đầu này mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng các hạt nano vàng trong y học và sinh học. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyen Thanh Dinh, Nguyen Quang Dong, Trinh Thi Hue, Vu Thi Khanh Thu, Pham Thi Thanh Van, Duong Thi Nguyet, Nguyen The Binh (2010) “Fabrication of metal nanoparticles by laser ablation”, Proceeding of the first Academic Conference on Natural Science for Master and PhD Students from Cambodia, Laos, Vietnam, Vientiane, Lao PDR 23-27/3/2010. VNU - HCM Publishing House 2010. pp 279 - 285 [2] Fumitaka Mafune, Jun-ya kohno Yoshihiro Takeda, Tamotsu Kondow (2000), Journal of Physical Chemistry B, Vol. 104 No 35 8333. [3] R.M Tilaki,A.Iraji zad and S.M. Mahdavi (2007). Journal of Nanoparticle Research 9:853-860 [4] K. Lance Kelly, Eduardo Coronado, Lin Lin Zhao, and George C. Schatz (2003) J. Phys. Chem. B, 107, 668-677 [5] Jean-Philippe Sylvestre, Suzie Poulin, Andrei V. Kabashin, Edward Sacher, Michel Meunier, and Media (2004), J. Phys. Chem. B, 108, 16864 - 16869. SUMMARY RESEARCH, FABRICATION OF GOLD NANOPARTICLES BY LASER ABLATION AND PROMISING APPLICATIONS IN BIOMEDICAL Nguyen Quang Dong*, Nguyen Bich Thao, Tran Manh Hung College of medicine and farmacy - TNU We present experimental results related to laser ablation-based gold nanofabrication. This method makes possible the production of pure gold nanoparticles in biologically-friendly environment. Gold nanoparticles were produced in ethanol and PVP. The absorption spectra of gold nanoparticles were measured by a UV-VIS 2450 spectrometer. The TEM and spectral measurements were carried out to determine average size and size distribution. The average size of produced Au nanoparticles was reduced to 12,9 nm in ethanol and 14 nm in PVP by plasmon resonance absorption using wavelength 1064 nm of Nd:YAG laser. The experimental results were in good agreement with theory and showed advantages of the laser ablation method. Key word: Plasmon resonance, laser ablation, gold nanoparticles * Tel: 0974 974888 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên