Tổng quan về vật liệu nano vàng và ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BÁO CÁO TIỂU LUẬN CƠ SỞ VẬT LIỆU VÀ BẢO VỆ ĂN MÒN TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO VÀNG VÀ ỨNG DỤNG Tính chất, vật liệu nano vàng và ứng dụng

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO VÀNG

Vàng là một trong những kim loại đầu tiên được phát hiện; lịch sử nghiên cứu và ứng dụng của nó kéo dài ít nhất vài nghìn năm Dữ liệu đầu tiên về vàng dạng keo có thể được tìm thấy trong các luận thuyết của các nhà khoa học Trung Quốc, Ả Rập và Ấn Độ, những người đã tìm cách thu được vàng dạng keo sớm nhất vào thế kỷ V–IV trước Công nguyên Họ sử dụng vàng cho mục đích y học ("dung dịch vàng" của Trung Quốc và "vàng lỏng" của Ấn Độ) Ở Châu Âu trong thời Trung cổ, vàng dạng keo đã được nghiên cứu và sử dụng trong các phòng thí nghiệm của các nhà giả kim thuật Paracelsus đã viết về các đặc tính chữa bệnh của tinh hoa vàng -

“quinta essentia auri”, mà ông thu được thông qua việc khử clorua vàng bằng chiết xuất thực vật trong rượu hoặc dầu Ông đã sử dụng "vàng có thể uống được" để điều trị một số bệnh tâm thần và bệnh giang mai Người cùng thời với ông, Giovanni Andrea, đã sử dụng “vàng có thể uống được” như một liệu pháp cho bệnh nhân bị bệnh phong, bệnh dịch hạch, động kinh và tiêu chảy Năm 1583, nhà giả kim thuật David de Planis-Campy, người từng là bác sĩ cho vua Louis XIII của Pháp, đã đề xuất “thần dược trường thọ” của mình, một dung dịch vàng trong nước Cuốn sách đầu tiên về vàng keo được bảo tồn cho đến thời đại của chúng ta được xuất bản vào năm 1618 bởi nhà triết học và bác sĩ y khoa Francisco Antonii Nó chứa dữ liệu về cách lấy vàng keo và ứng dụng của nó trong y học, bao gồm cả lời khuyên thực tế [1]

Mặc dù có lịch sử hàng thế kỷ, "cuộc cách mạng trong hóa miễn dịch" liên quan đến việc sử dụng các hạt nano vàng trong các nghiên cứu sinh học chỉ xảy ra vào năm 1971, khi các nhà nghiên cứu người Anh Faulk và Taylor mô tả một phương pháp liên hợp kháng thể với vàng keo Để hiển thị trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử của các kháng nguyên bề mặt của vi khuẩn salmonellae Nghiên cứu được bắt đầu bằng cách sử dụng các chất đánh dấu đặc hiệu sinh học

- vàng dạng keo kết hợp với các globulin miễn dịch và các phân tử khác - trong các lĩnh vực sinh học và y học khác nhau [1]

Phạm vi sử dụng hạt nano vàng trong các nghiên cứu y học và sinh học hiện đại là rất rộng Đặc biệt, nó bao gồm bộ gen, cảm biến sinh học, phân tích miễn dịch, hóa học lâm sàng, phát hiện và quang nhiệt của vi sinh vật và tế bào ung thư; phân phối thuốc, DNA và kháng nguyên có mục tiêu; đo sinh học quang học và giám sát các tế bào và mô bằng cách sử dụng các hệ thống hiện đại Người ta đã lập luận rằng các hạt nano vàng có thể được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng y tế: chẩn đoán, điều trị, phòng ngừa và vệ sinh Một loạt các ứng dụng cho hạt nano vàng dựa trên các đặc tính vật lý và hóa học độc đáo của chúng

3 Đặc biệt, các tính chất quang học của hạt nano vàng được xác định bởi cộng hưởng plasmon bề mặt, có liên quan đến kích thích tập thể của các điện tử dẫn và cư trú trong vùng rộng, từ vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại (IR), tùy thuộc vào kích thước, hình dạng hạt và cấu trúc [2]

Các hạt nano vàng có kích thước từ 1nm đến hơn 100nm, có tính chất quang, điện độc đáo, khác hẳn so với vật liệu vàng dạng khối Trong đó sự khác nhau đáng chú ý giữa nano vàng và kim loại vàng dạng khối đó là sự thay đổi màu sắc của chúng, cụ thể sẽ chuyển từ màu vàng sang màu đỏ tía, màu tím hoặc màu xanh phụ thuộc vào kích thước của các hạt nano vàng Sự thay đổi này là do hiệu ứng plasmon bề mặt tạo ra [2]

Hiệu ứng plasmon bề mặt là một trong những tính chất quan trọng của vật liệu nano vàng Chính nhờ tính chất này mà nano vàng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt trong chuẩn đoán và điều trị bệnh ung thư [2]

Hình 1: Màu sắc của các hạt keo nano vàng [2]

Hình 2: Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt [2]

ĐẶC ĐIỂM VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO VÀNG

Tính chất vật lý và tính chất hóa học cơ bản của vàng

Vàng là kim loại chuyển tiếp, thuộc nhóm 11, chu kì 6, phân lớp d, có số thứ tự 79 và kí hiệu là Au trong bảng tuần hòa hóa học

Bảng 1 Một số tính chất vật lý cơ bản của vàng [3]

Màu sắc Vàng ánh kim

Cấu trúc tinh thể Lập phương tâm mặt

Trạng thái vật lý Rắn

Khối lượng nguyên tử 197 g/mol

Khối lượng riêng ở dạng lỏng 17.31 g/cm 3 (Ở nhiệt độ nóng chảy)

Nhiệt lượng nóng chảy 12.55 kJ/mol

Nhiệt bay hơi 324 kJ/mol

Về mặt hóa học, vàng là kim loại chuyển tiếp có tính khử rất yếu, không bị oxi hóa bởi không khí Tuy vàng không phản ứng với hầu hết các chất, nhưng lại bị hòa tan trong một số trường hợp cụ thể: nước cường toan, dung dịch muối cyanua của các kim loại kiềm…

Bảng 2 Tính chất nguyên tử vàng [3]

Số oxy hóa -1,1,2,3,4,5 Độ âm điện 2.54 (Pauling)

Năng lượng ion hóa Thứ 1: 890.1 kJ/mol

Bán kính nguyên tử 140 pm

Bán kính ion (theo gold chmidt) 137 pm Bán kính van der waals 166 pm

Tính chất quang học

Các hạt nano vàng thể hiện rất nhiều hiện tượng quang học khiến chúng trở thành trung tâm được nhiều sự chú ý Tùy thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau mà các hạt nano vàng sẽ có màu sắc khác nhau

Hình 3: The Lycurgus Cup, chiếc cốc sẽ có màu xanh ngọc khi có ánh sáng từ trước chiều vào và có màu đỏ máu khi chiếu ánh sáng từ phía sau [4]

Các hạt nano vàng hấp thụ và tán xạ ánh sáng với hiệu suất rất cao Tương tác mạnh của chúng với ánh sáng xảy ra là do các electron dẫn trên bề mặt kim loại trải qua một quá trình dao động tổng hợp khi chúng bị kích thích bởi sáng ở bước sóng cụ thể Sự dao động này được gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR), điều này làm cho sự hấp thụ và tán xạ của các hạt nano vàng cao hơn nhiều so với các hạt nano không có hiện tượng plasmon cùng thích thước Các đặc tính hấp thụ và tán xạ này được điều chỉnh bằng cách kiểm soát kích thước, hình dạng hạt và chiết suất cục bộ bề mặt của hạt [5]

Ngoài ra mật độ hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất quang Nếu mật độ loãng thì có thể coi gần đúng hạt tự do, nếu mật độ cao phải tính đến ảnh hưởng tương tác giữa các hạt [6]

2.2.1 Ảnh hưởng của kích thước hạt đến tính chất quang học của hạt nano vàng

Sự tương tác của các hạt nano vàng với ánh sáng được quyết định trực tiếp bởi môi trường xung quanh, kích thước hạt và các thông số vật lý của chúng Các trường điện dao động của tia sáng lan truyền gần một hạt nano dạng keo tương tác với các electron tự do gây ra sự dao động của điện tử trong cộng hưởng với tần số của ánh sáng nhìn thấy Sự cộng hưởng dao động này được gọi là plasmon bề mặt Đối với các hạt nano vàng có kích thước nhỏ (~30 nm), cộng hưởng plasmon bề mặt gây ra bởi sự hấp thụ ánh sáng xanh dương của dãy quang phổ (~450 nm), trong khi ánh sáng đỏ (~700nm) bị phản xạ, tạo ra dung dịch có màu đỏ đậm Khi kích thước các hạt tăng lên, bước sóng của sự hấp thụ liên quan đến cộng hưởng plasmon bề mặt chuyển

6 sang bước sóng dài hơn và đỏ hơn Sau đó, ánh sáng đỏ bị hấp thụ và ánh sáng xanh dương bị phản xạ, tạo ra các dung dịch cho màu xanh lam nhạt hoặc màu tím (Hình 4) [7]

Hình 4: Phổ UV-vis được chuẩn hóa và ảnh hiển thị màu sắc của các hạt nano vàng với các kích thước hạt khác nhau trong dung dịch nước [8]

2.2.2 Ảnh hưởng của chiết suất cục bộ đến tính chất quang học của hạt nano vàng

Ngoài kích thước hình học ra, tính chất quang học của nano vàng còn phụ thuộc vào chiết suất cục bộ gần bề mặt của các hạt nano Nếu chỉ số chiết suất này tăng lên, phổ của các hạt nano sẽ chuyển sang bước sóng dài hơn (gọi là vùng chuyển đỏ) Về mặt thực tế, điều này có nghĩa là nếu các hạt được chuyển từ nước (n=1.33) sang không khí (n=1.00), vị trí phổ hấp thụ cực đại của hạt nano sẽ chuyển sang bước sóng ngắn hơn (vùng chuyển màu xanh lam), hoặc nếu các hạt được chuyển sang Silica (n=1.5) thì bước sóng sẽ chuyển sang dài hơn (Hình 5) [5]

Hình 5: Phổ hấp thụ của các hạt nano vàng khi chiết suất cục bộ gần bề mặt thay đổi [5]

Tính chất điện

Các phần tử mang điện chuyển động trong kim loại (dòng điện I) dưới tác dụng của điện trường (E) (có sự khác nhau về điện thế (U) giữa hai điểm) và có sự liên hệ với nhau thông qua định luật Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở của kim loại [9] 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 (Hình 6), với e là điện tích của điện tử, C và R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực [9]

Hình 6: : Đường đặc trưng I - U của vật liệu kích thước nano [9]

Tính chất điện của các hạt nano vàng đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trong nhiều năm qua Sự vận chuyển electron không bị giới hạn trong các mức năng lượng rời rạc của một số nguyên tử mà xuất hiện như một mức năng lượng liên tục Do đó, các quá trình tích điện bề mặt và vận chuyển điện tử trong các hạt nano vàng có thể được hiểu với các biểu thức vật lý cổ điển tương đối đơn giản, như đối với các sơ đồ mạch điện tử điện trở / tụ điện Đặc tính điện của các hạt nano vàng chỉ phụ thuộc vào kích thước của chúng và môi trường xung quanh [10]

Hình 7: Độ rộng vùng cấm tăng dần theo chiều giảm dần của kích thước cấu tử [11]

Tính chất từ

Các nghiên cứu của nhà khoa học Fernandes de Farias đã chỉ ra rằng các hạt nano vàng càng lớn thì từ tính càng yếu đi [12]

Các kim loại quý ở trạng thái khối như vàng, bạc, có tính nghịch từ do sự bù trừ cặp điện tử Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ không toàn diện nữa và vật liệu có từ tính tương đối mạnh Các kim loại có tính sắt từ ở trạng thái khối như các kim loại chuyển tiếp sắt, coban, niken thì khi kích thước nhỏ sẽ phá vỡ trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ Vật liệu ở trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và không có từ tính khi từ trường bị ngắt đi, tức là từ dư và lực kháng từ hoàn toàn bằng không [9].

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 Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở bên trong nên chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở trạng thái khác

9 hơn Như vậy, nếu kích thước của hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm Ví dụ, hạt vàng

2 nm có Tm = 500°C, kích thước 6 nm có Tm = 950°C (Hình 8) [9]

Hình 8: Sự phụ thuộc của nhiệt độ nóng chảy vào kích thước của các hạt nano vàng [9]

Hoạt tính xúc tác trên chất mang

Tính trơ hóa học và không bị oxy hóa làm cho vàng trở thành một vật liệu quan trọng và hữu dụng Ở kích thước nano, tính chất của vàng thay đổi hoàn toàn Mặc dù khả năng chống oxy hóa bề mặt vẫn còn nhưng tính trơ của vàng khối đã biến mất trong các hạt nano vàng Các hạt nano vàng có khả năng xúc tác cho nhiều phản ứng khác nhau [13]

Các đặc tính xúc tác vượt trội của chúng đến từ kích thước nanomet của chúng, làm tăng tỷ lệ bề mặt trên thể tích và thế năng hóa học, ảnh hưởng mạnh mẽ đến động lực học xúc tác kết hợp tái cấu trúc bề mặt, cả phản ứng tạo ra bởi xúc tác và tái cấu trúc bề mặt động tự phát xảy ra dễ dàng hơn đối với các hạt nano vàng do năng lượng bề mặt của chúng cao hơn Vì vậy kích thước của các hạt nano có vai trò then chốt đối với các đặc tính xúc tác của chúng [14]

Hạt nano vàng kích thước nhỏ hơn 5 nm được biết là chất xúc tác có hoạt tính cao, đặc biệt đối với quá trình oxy hóa cacbon monoxit (CO) ở nhiệt độ thấp Trong phản ứng chuyển hóa CO thành CO2, xúc tác nano vàng hoạt động tốt ở nhiệt độ phòng và cả dưới nhiệt độ phòng Điều này chưa được thấy ở các kim loại xúc tác Các hạt nano vàng được sử dụng làm xúc tác có kích thước từ 2 đến 10 nm, được gắn vào các giá mang oxit kim loại như các hạt nano vàng trên giá mang Fe2O3 có khả năng hoạt động ở nhiệt độ -76°C [13]

NO và các khí NOx là các khí thải độc hại từ các động cơ xăng dầu Cách dễ dàng nhất để loại bỏ chúng là biến chúng thành khí nitơ bằng cách sử dụng các khí CO, H2 hay các hydrocacbon Thông thường các phản ứng có thể thực hiện nhờ các xúc tác PGM (xúc tác kim loại nhóm

10 platin), nhưng rất khó xảy ra khi động cơ vận hành dưới điều kiện thiếu ôxy để đốt cháy nhiên liệu Các nhà khoa học đã chứng minh rằng trong điều kiện không có ôxy thì xúc tác nano vàng hoạt động tốt hơn trong phản ứng khử NO bằng CO Hoạt tính diễn ra đáng kể thậm chí ở 27°C đã chuyển hóa hoàn toàn nito mà nếu không sử dụng xúc tác vàng thì nhiệt độ phản ứng phải là 150°C [13]

Một đặc trưng thu hút sự chú ý đặc biệt là khả năng kháng đầu độc mà các hạt nano vàng trên chất nền chống lại sự nhiễm độc lưu huỳnh Có một số ít công trình nghiên cứu chứng minh vấn đề này Tất cả đều chứng minh xúc tác vàng nano trên chất mang có khả năng chịu đựng sự đầu độc lưu huỳnh gấp 5 - 7 lần so với xúc tác thông thường Bên cạnh đó có thể sử dụng làm sạch lưu huỳnh đầu độc trên bề mặt xúc tác kim loại ở nhiệt độ thấp [6].

Đặc tính sinh học

Nhìn chung, các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính sinh học của hạt nano vàng bao gồm kích thước, hình dạng, nồng độ và chất phủ [15] Lý do các hạt nano được chọn để nghiên cứu về các đặc tính sinh học là vì chúng có tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao, dẫn đến các đặc tính cơ học, hóa học, điện, quang từ, điện quang và từ quang của các hạt nano khác với đặc tính ban đầu của chúng [16] Các hạt nano vàng nhìn chung không độc và có khả năng tương tích sinh học cao với cơ thể sinh vật [17]

Trong lĩnh vực y sinh, các hạt nano vàng có khả năng tự phát nhiệt dưới tác dụng của laser Đây là một đặc tính thú vị, có thể được sử dụng luân phiên hoặc bổ sung cho liệu pháp tia X trong điều trị bệnh ung thư Ngoài ra các hạt nano vàng có khả năng cố định các nguyên tử sinh học (kháng nguyên và kháng thể), vì vậy được sử dụng rất nhiều trong xét nghiệm sinh học hay chuẩn đoán y khoa [13]

Các hạt nano vàng ở kích thước 25nm cho thấy khả năng diệt nấm chủng candida tốt rõ ràng so với các hạt nano vàng có kích thước 30nm [15]

Theo nhiều nghiên cứu, khả năng kháng sinh của các hạt nano vàng kém hơn nhiều so với các hạt nano bạc [18] Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu khác lại chỉ các hạt nano vàng khi được tổng hợp trong một số điều kiện nhất định lại có tác dụng kháng sinh hiệu quả [15].

PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO VÀNG

Phương pháp hóa học

Quá trình tổng hợp AuNPs bằng cách khử hóa học gồm hai bước chính:

Bước 1: Khử Au 1+ hoặc Au 3+ thành Au 0 : sử dụng các chất khử như borohydrid, axit citric, axit oxalic, polyol, hydro peroxit, sulfit và các chất khử khác Hợp chất từ vàng được đa số các nhà nghiên cứu lựa chọn là axit chloroauric, HAuCl4 với vàng ở trạng thái oxy hóa Au 3+ [23, 24]

Bước 2: Ổn định các hạt nano, chống lại sự kết tụ: Sử dụng các chất ổn định như trinatri citrat dihydrat, phối tử lưu huỳnh (chủ yếu là thiolat), phối tử photpho, polyme, chất hoạt động bề mặt (đặc biệt là cetyltrimetylamonibromua, CTAB) [25] Chúng tác động một lực đẩy để kiểm soát sự phát triển của các hạt nano bao gồm các yếu tố: tỷ lệ, kích thước cuối cùng hoặc hình dạng hình học Trong một số trường hợp, chất ổn định cũng chính là chất khử [26]

HAuCl4 có thể thu được từ lá vàng bằng phương pháp đơn giản Dùng nước cường toan (hỗn hợp HCl và HNO3) để hòa tan vàng lá Cả HCl và HNO3 đều không thể làm được điều này một

12 mình vì khi kết hợp, mỗi chất đều có chức năng khác nhau Axit nitric, HNO3, là một chất oxy hóa mạnh có thể hòa tan một lượng vàng tối thiểu, tạo thành các ion Au 3+ Axit clohydric, HCl, cung cấp các ion clorua (Cl − ), phản ứng với các ion vàng để tạo ra anion tetraclorourat (III), cũng ở trong dung dịch Phản ứng với axit clohydric là một phản ứng thuận nghịch tạo điều kiện cho sự hình thành các anion clorourat (AlCl 4 − ) Điều này dẫn đến việc loại bỏ các ion ra khỏi vàng của quá trình oxy hóa dung dịch vàng còn lại [27]

Au + HNO 3 + 4HCl ↔ AuCl 4 − + NO 2 + H 3 O + + 2H 2 O Độ tinh khiết của vàng càng cao (thường là 99% hoặc lớn hơn) thì sản phẩm cuối cùng sẽ càng tinh khiết Loại bỏ axit nitric dư có thể được thực hiện bằng cách đun nóng nhiều lần cùng với việc bổ sung axit clohydric (cho đến khi không còn hơi nitric màu nâu bay lên)

Phương pháp khử hóa học có ưu điểm dễ thực hiện, chi phí thấp, hiệu suất tổng hợp cao, tuy nhiên những phương pháp này sử dụng các hóa chất có thể gây ô nhiễm môi trường, độc hại như NaBH4, toluene, v.v Để hạn chế sử dụng các chất độc hại, những năm gần đây các chất khử này được thay thế bằng các hóa chất thân thiện môi trường hơn như ascorbic acid, glucose, amino acids, dung dịch chiết từ cây và những chất nguồn gốc tự nhiên khác.Tuy nhiên, việc thực hiện các phương pháp này ở quy mô công nghiệp còn gặp nhiều khó khăn, bởi chúng thường có tính khử yếu nên hiệu suất thấp, và còn chứa nhiều tạp chất không mang tính khử do đó dung dịch Au tạo ra không có độ tinh khiết cao.

Phương pháp vật lí

Các hạt nano kim loại được tổng hợp bằng cách khử hóa chất thường có phân bố kích thước rộng Để loại bỏ những khó khăn này, chất hoạt động bề mặt và rượu thường được sử dụng trong phương pháp sonochemical, để kiểm soát kích thước và hình dạng hạt [28]

Một dung dịch HAuCl4 được thêm vào bình phản ứng và sau đó được làm sạch bằng argon 1- propanol được đưa vào dung dịch để tăng tốc độ phản ứng khử Au (III) Tất cả các thí nghiệm được thực hiện với công suất siêu âm không đổi Trong quá trình chiếu xạ, nhiệt độ dung dịch được duy trì không đổi bằng cách tuần hoàn nước ở 21 ± 2°C qua một lớp vỏ áo xung quanh tế bào siêu âm Một bầu argon được duy trì bên trên dung dịch trong quá trình chiếu xạ Sau khi chiếu xạ, các phần thể tích nhỏ của dung dịch được rút ra khỏi tế bào Các dung dịch này được thêm vào một thể tích xác định dung dịch 1% khối lượng PVP để ngăn chặn sự kết tụ của các hạt vàng hình thành [28]

Phương pháp khử sonochemical của Au (III) với sự có mặt của phụ gia hữu cơ thu được thông qua các phản ứng sau (phản ứng (1) - (4)):

RH → gốc tự do và sản phẩm không bền (3)

Au(III) + tác nhân khử ( H ∙ , R ∙ ) → Au(0) (4)

Trong đó: RH đại diện cho một chất phụ gia hữu cơ Các phản ứng 1-3 cho thấy sự hình thành các gốc khử và chất khử bằng ứng dụng siêu âm vào quá trình hóa học:

(1) H ∙ được hình thành từ quá trình khử nước,

(2) R ∙ và H2 được tạo thành từ phản ứng tách của RH với OH ∙ hoặc H ∙ ,

(3) các gốc nhiệt phân và các sản phẩm không bền được hình thành thông qua quá trình nhiệt phân RH và nước

(4) là sự khử Au (III) được tiến hành bởi phản ứng với các chất khử khác nhau và bao gồm một số bước phản ứng phức tạp

Sự thay đổi tần số siêu âm có thể ảnh hưởng đến các yếu tố sau: (1) nhiệt độ và áp suất bên trong các bong bóng, (2) số lượng và sự phân bố của các bong bóng, (3) kích thước và tuổi thọ của bong bóng, (4) động lực học và tính đối xứng (hình dạng) của sự vỡ bong bóng, (5) ảnh hưởng của 1-propanol đến nhiệt độ bong bóng, sự hình thành gốc thứ cấp, v.v Tuy nhiên, khá khó để định lượng tác động riêng lẻ của các yếu tố này vì chúng phụ thuộc lẫn nhau, và hầu như không thể khảo sát một yếu tố mà không làm thay đổi những yếu tố khác [28]

Phương pháp vật lý có ưu điểm là tạo ra hạt nano Au có kích thước nhỏ, phân bố kích thước hẹp, và độ tinh khiết cao do không dùng hóa chất Tuy nhiên, chi phí đầu tư thiết bị lớn (như nguồn tạo sóng siêu âm) và tốn nhiều năng lượng [28].

Phương pháp sinh học

Trong các phương pháp sinh học, các hạt nano được tổng hợp bởi vi sinh vật, enzym và thực vật hoặc chiết xuất từ thực vật Cơ chế tổng hợp các hạt nano vàng bằng cách sử dụng các tác nhân sinh học khác nhau vẫn chưa được biết rõ Các thực thể hóa học khác nhau có trong các hợp chất sinh học có thể hoạt động như các chất khử dùng để phản ứng với các ion kim loại và do đó tổng hợp các hạt nano kim loại (Hình 10) [29]

Hình 10: Cơ chế đề xuất khử sinh học và ổn định vàng thành các hạt nano [30]

Một số giả thuyết đã được đưa ra một số hiểu biết về cơ chế sinh tổng hợp các hạt nano vàng Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng các phân tử sinh học như protein, phenol, flavonoid, v.v trong dịch chiết thực vật đóng một vai trò quan trọng trong việc khử các ion kim loại và hình thành các hạt nano [31] Mặc dù việc khử các muối kim loại là thân thiện với môi trường, nhưng về mặt hóa học nó là một quá trình phức tạp liên quan đến một loạt các hợp chất thực vật như vitamin, enzym, protein, axit hữu cơ, axit amin và polysaccharid [32] Cơ chế tiềm năng của vi sinh vật khử các hạt nano liên quan đến reductase, naphthoquinones, flavonoid và anthraquinon với khả năng oxy hóa khử đủ để khử ion kim loại và nitrate reductase xúc tác quá trình khử bạc nitrat thành các hạt nano bạc sử dụng NADPH làm cofactor cũng được báo cáo trong tài liệu

Trong một nghiên cứu, catechin-một phân tử monome cơ bản có trong quả nho được phát hiện là tác nhân khử các ion vàng thành các hạt nano vàng [34] Trong quá trình tổng hợp các hạt nano vàng bằng cách sử dụng dịch chiết nước của quả Hovenia dulcis, các tác giả đã mô tả rằng các nhóm hydroxyl và cacbonyl của các dẫn xuất flavonol và các phân tử hoạt tính sinh học khác trong dịch chiết nước trước hết liên kết với các ion vàng để tạo thành phức chất vàng, sau đó chúng được khử thành các hạt (Au 0 ) Các hạt bị khử trải qua quá trình kết tụ và tạo thành các cụm, chúng hoạt động như các trung tâm tạo mầm và xúc tác quá trình khử các ion kim loại còn lại thành các hạt nano [35] Trong chiết xuất Zingiber officinale đã tổng hợp các hạt nano vàng, các chất sinh hóa như gingerol, shagaols, singerone, paradol và tinh bột đóng vai trò là chất định vị trong quá trình tổng hợp các hạt nano vàng và cũng giúp ổn định các hạt nano [36] Các phân tử sinh học có chức năng định vị và ổn định hiệu quả các hạt nano vàng được tổng hợp bằng cách sử dụng chiết xuất rễ Morinda citrifolia (chứa protein, amin thơm và aliphatic amin) Chúng có khả năng hình thành các hạt nano và có thể đóng một vai trò quan trọng trong sự ổn định của các hạt nano được hình thành [37]

Vì vậy, chúng ta có thể kết luận rằng quá trình khử sinh học của các ion vàng thành các hạt nano vàng có thể được gây ra bởi các hợp chất khác nhau có trong các tác nhân sinh học như đường khử, amin, tinh bột, gingerol, shagaols, singerone, catechin, hợp chất phenolic, flavonoid, enzymes (naphthoquinones, anthraquinones hoặc nitrate reductase) và protein

Mặc dù các phương pháp hóa học là phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp các hạt nano kim loại, nhưng việc sử dụng các thuốc thử đắt tiền và độc hại làm chất khử và ổn định đã hạn chế các ứng dụng của chúng Do đó, nhu cầu phát triển các quy trình thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí để tổng hợp các hạt nano mà không sử dụng bất kỳ hóa chất độc hại nào ngày càng tăng Tổng hợp sinh học các hạt nano là một phương pháp xanh, thân thiện với môi trường trong những năm gần đây và thu hút được rất nhiều sự quan tâm.

ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO VÀNG

Trong y sinh

Các hạt nano vàng đã được sử dụng trong việc kết hợp cảm biến sinh học điện hóa và cảm biến ameperometric để chẩn đoán bệnh nhân có khối u tế bào và ung thư biểu mô tế bào gan Điều này được thực hiện bằng cách phát hiện một phân tử đánh dấu khối u, alpha-fetoprotein (AFP), một glycoprotein có trong giai đoạn phát triển bào thai [38] Kháng nguyên carbohydrate 19-9 (CA19-9) là một trong những phân tử đánh dấu khối u carbohydrate quan trọng nhất được tìm thấy trong nhiều khối u ác tính như tụy, đại trực tràng, dạ dày và ung thư gan [39] Một kháng nguyên carbohydrate khác CA125 cũng là phân tử đánh dấu quan trọng được xác định bởi cảm biến miễn dịch nano vàng [40] Kháng nguyên Carcinoembryonic (CEA) là phân tử đánh dấu được biết đến nhiều nhất liên quan đến sự tiến triển của khối u đại trực tràng PSA là kháng nguyên đặc hiệu tuyến tiền liệt trong ung thư tuyến tiền liệt [41] Phát hiện điện hóa của các phân tử đánh dấu bệnh này đã được thực hiện bằng các thay đổi ampe biến đổi xảy ra trước và sau sự tương tác kháng nguyên-kháng thể [40]

4.1.2 Cảm biến sinh học điện hóa nano vàng hiệu chỉnh DNA

Các điện cực được sửa đổi hạt nano vàng được sử dụng trong lắp ráp sinh học DNA điện hóa Chúng tạo thành các công cụ phân tích hữu ích cho chẩn đoán và phát hiện trình tự DNA cụ thể nhờ vào lợi thế vốn là chi phí thấp, độ nhạy và phản hồi nhanh chóng [42] Mầm bệnh, vi khuẩn và virus, có thể được phát hiện thông qua các trình tự axit nucleic tương ứng và riêng biệt của chúng Một hỗn hợp mẫu chứa Escherichia coli và Stachybotrys chartarum, một mầm bệnh

16 trong không khí, được công bố sau đó, những cảm biến sinh học DNA này sử dụng sự ràng buộc duy nhất giữa protein liên kết DNA một sợi của E coli (SSB) và oligonucleotide đơn liên hợp với hạt nano vàng (Au) Tín hiệu oxy hóa khuếch đại của các hạt nano Au tạo ra một giới hạn phát hiện khoảng 2,17 pM DNA mục tiêu [43]

Một khía cạnh quan trọng liên quan đến ứng dụng là việc phát hiện chính xác, nhạy và nhanh chóng của các cây biến đổi gen Cảm biến điện hóa DNA rất có thể trở thành một công cụ phân tích cho các sản phẩm thực vật biến đổi gen Các điện cực biến đổi nano vàng tiêu biểu cho sinh học điện hóa DNA và được mô tả là chính xác, nhanh chóng và nhạy cảm cho việc phát hiện quang phổ trở kháng điện hóa của DNA dành riêng cho chuỗi liên quan đến chuyển sang cây chuyển gen Các điện cực vàng biến đổi DNA này là các gen biến hóa điện hóa hữu ích để phân tích gen, phát hiện các rối loạn di truyền, kết hợp mô và các ứng dụng pháp y do độ nhạy cao, kích thước nhỏ, chi phí thấp và khả năng tương thích

Một khía cạnh quan trọng liên quan là phát hiện chính xác, nhạy cảm và nhanh chóng của các cây chuyển gen Cảm biến điện hóa DNA rất có thể trở thành một công cụ phân tích cho các sản phẩm thực vật biến đổi gen Các điện cực biến đổi nano vàng đại diện cho sinh học điện hóa DNA và được mô tả là chính xác, nhanh chóng và nhạy cho việc phát hiện quang phổ trở kháng điện hóa của DNA dành riêng cho chuỗi gen cụ thể liên quan đến chuyển gen ở cây chuyển gen Những điện cực vàng biến đổi DNA này là các cảm biến gen điện hóa hữu ích để phân tích gen, phát hiện các rối loạn di truyền, khớp mô và các ứng dụng pháp y do độ nhạy cao, kích thước nhỏ, chi phí thấp và khả năng tương thích

4.1.3.Ứng dụng trong chữa bệnh

Hạt nano vàng (GNFs) khai thác các tính chất hóa học và vật lý đặc trưng của nó để vận chuyển và đào thải dược phẩm Đầu tiên, lõi vàng về cơ bản là trơ và dễ dàng tổng hợp được; Các hạt nano monodisperse có thể được hình thành với kích thước lõi dao động từ 1 đến 150nm [44] Thứ hai là sự sẵn sàng chức năng hóa, thông qua các liên kết thiol Ngoài ra, các đặc điểm quang lý có thể kích hoạt giải phóng thuốc từ xa [45] Hình 11 cho thấy các loại thuốc, gen và protein khác nhau được vận chuyển bằng nano vàng

Hình 11: Ứng dụng đa dạng của nano vàng trong điều trị [45]

4.1.3.1 Ứng dụng trong vận chuyển thuốc

Hệ thống phân phối thuốc (DDSs) đóng góp tích cực cho một loại thuốc 'miễn phí' bằng cách cải thiện độ hòa tan, tính ổn định bên trong cơ thể và phân phối sinh học Người ta cũng có thể thay đổi dược động học bất lợi về một số loại thuốc “miễn phí” Hơn nữa, tải rất lớn dược phẩm trên DDSs có thể tạo thành “hồ chứa thuốc” cho việc kiểm soát và giải phóng liên tục để duy trì thuốc

Người ta đã chứng minh việc vận chuyển tế bào và glutathione trung gian, giải phóng trung gian GSH của thuốc nhuộm kỵ nước (Bodipy), như một mô hình của thuốc kỵ nước, sử dụng các hạt nano vàng chức năng (fGNP) Các hạt (lõi d = ~2nm) có một đơn lớp hỗn hợp bao gồm phức cation tetra(ethyleneglycol)ylated (TTMA) và phức fluorogen (HSBDP) Bản chất cation có tạo điều kiện cho việc vượt qua hàng rào màng tế bào, và các đầu dò florophore có thể có cơ chế giải phóng thuốc Việc giải phóng thuốc nhuộm được kiểm soát đã được xác minh bằng cách xử lý các tế bào nguyên bào phôi chuột với nồng độ khác nhau của monoester Glutathione

GNPs có thể được ứng dụng trong việc cung cấp các tác nhân trị liệu hai nguyên tử, như oxy đơn chất, hoặc oxit nitric Oxy đơn chất (O2), một loài gây độc tế bào, có liên quan đến phương pháp quang nhiệt trị [47] Russell và đồng nghiệp trang trí bề mặt GNPs với phthalocyanines (PCs), một bộ cảm biến để tạo oxy đơn chất với năng suất lượng tử tốt [48] Nitric Oxide (NO) tham gia nhiều quá trình tế bào bao gồm hình thành mạch, giãn mạch và phản ứng miễn dịch

[49] Việc giải phóng có kiểm soát NO có thể là một liệu trình có hiệu quả cho suy hô hấp thiếu oxy liên quan đến tăng huyết áp phổi [50] Schoenfisch và đồng nghiệp đã chứng minh rằng

18 không có thể được lưu trữ hiệu quả bằng cách liên kết cộng hóa trị với GNP ổn định polyamine thông qua sự hình thành n-diazeniumdium acid-lay [51] Các vật liệu có pH tương ứng được áp dụng cho việc vận chuyển thuốc do sự hiện diện của môi trường axit nhẹ bên trong các mô viêm và khối u (pH ~ 6.8), hoặc các túi tế bào như endosome (pH ~ 5,5-6) và lysosome (pH ~ 4.5- 5.0) [52]

4.1.3.2 Ứng dụng trong vận chuyển phân tử sinh học

Ngoài việc vận chuyển phân tử nhỏ, kích thước có thể điều chỉnh và chức năng của các hạt nano vàng làm cho chúng một chiếc khung hữu ích để nhận dạng hiệu quả và vận chuyển các phân tử sinh học như peptide, protein hoặc axit nucleic như DNA hoặc RNA [53]

Hệ thống vận chuyển gen không xâm nhập và an toàn là một điều kiện tiên quyết cho ứng dụng lâm sàng của các gen trị liệu Kết quả của một số nghiên cứu này cho thấy các tổ hợp GNP / DNA có thể chứa tiềm năng phát triển thành phương tiện vận chuyển gen hiệu quả và an toàn

[54] Các hạt nano vàng được sửa đổi hóa học với các nhóm amin chính được phát triển dưới dạng phương tiện vận chuyển nội bào cho RNA trị liệu can thiệp (siRNA)

4.1.3.3 Ứng dụng trong vận chuyển protein

Các hạt nano vàng có thể là chất mang dạng nano (nanocarrier) của peptide và protein GNPs cation tetraialkylammonium có thể nhận diện bề mặt của một protein anion thông qua tương tác tĩnh điện bổ sung và ức chế hoạt động của nó [55] Hoạt động đã được phục hồi do giải phóng protein tự do bằng cách xử lý phức hợp hạt protein với Glutathione, cho thấy GNPs là các chất mang protein tiềm năng Pokharkar và cộng sự đã chứng minh các hạt nano vàng có chức năng như chất mang theo insulin [56] Các hạt được phủ chitosan hấp phụ mạnh insulin trên bề mặt của chúng, và có hiệu quả trong việc vận chuyển qua màng nhầy insulin

4.1.3.4 Ứng dụng quang nhiệt trị

Trong ngành thực phẩm

Trong những năm gần đây, đã có sự quan tâm đáng kể về việc áp dụng bao bì chứa các hạt nano khác nhau do ảnh hưởng đến thời hạn sử dụng, đặc tính cản khí và đặc tính cơ học Ngoài ra, ảnh hưởng của GNPs đến sự ức chế tăng trưởng do vi khuẩn đã dẫn đến nghiên cứu sâu hơn về đánh giá quy mô, hình dạng và nồng độ NPS được áp dụng trong bao bì Tùy thuộc vào thực phẩm, loại kết cấu bao bì có tầm quan trọng lớn Tỷ lệ bề mặt riêng cao làm tăng phản ứng của chúng với sinh học và liên kết tế bào vi khuẩn và cuối cùng, sự phá hủy chính tế bào vi khuẩn

THỰC TRẠNG, TIỀM NĂNG PHÁT TRIỂN VÀ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA VẬT LIỆU

Tình hình phát triển tại Việt Nam

Tại Việt Nam, có nhiều người tin theo và sử dụng nano vàng như một loại thuốc để điều trị ung thư nhưng điều này chưa có cơ sở khoa học thuyết phục Việc kết hợp nano vàng với kháng thể đặc hiệu hướng tới nơi có tế bào ung thư trong cơ thể hoàn toàn chưa có trong phác đồ điều trị ung thư được Bộ Y Tế cấp phép Sử dụng nano vàng có thể gây ra các chất độc cấp tính và mãn tính gây nguy hiểm nghiêm trọng đến sức khỏe của người bệnh

Việc điều trị ung thư bằng kháng thể đơn dòng hạt nano vàng chỉ mới được áp dụng trên cơ thể động vật và trong ống nghiệm, chưa có bất kì nghiên cứu nào trên cơ thể con người Thế nên nano vàng hiện vẫn chưa có tên trong danh mục thuốc điều trị ung thư nên người dân không nên sử dụng một cách bừa bãi [59]

Sau hơn 2 năm triển khai và nghiên cứu về nano vàng tại Khu công nghệ cao Thành phố Hồ Chí Minh (SHTP LABS), nhóm nghiên cứu khoa học đã cho ra đời sản phẩm kháng viêm da có thành phần là nano vàng dạng ngôi sao được điều chế từ muối vàng (HAuCl4) Đây là sản phẩm điều trị viêm da đầu tiên trong nước ứng dụng thành công nano vàng ngôi sao được sản xuất từ muối vàng [60] Không chỉ dừng lại ở đó, các nhà khoa học trẻ còn ứng dụng nano vàng vào nhóm mỹ phẩm làm trắng và dưỡng da thông qua việc sử dụng các hoạt chất nano có khả năng chống nắng và làm sáng da, cũng như chọn hệ nhũ hóa tạo nền kem phù hợp nhằm đưa các hoạt chất trên thẩm thấu vào da tốt hơn [60].

Tình hình phát triển trên thế giới

Ở Ba Lan, các nhà khoa học được cấp bằng sáng chế cho công thức nước bọt nhân tạo bao gồm các hạt nano vàng Nước bọt giúp các bệnh nhân bị rối loạn bài tiết nước bọt (họ không thể nuốt, ăn và nói Giáo sư Halina Car ở đại học Y Bialystok cho biết điều này có thể cải thiện độ nhờn, tăng cường tính chống vi khuẩn và duy trì vệ sinh ngăn ngừa các mảng bám răng [61]

20 Ở Mỹ, các nhà khoa học từ đại học Missouri đã phát triển phương pháp liên kết phân tử nano vàng với collagen để điều trị hư tổn và lão hóa da Gel được dùng làm chất độn mô mềm giúp tái tạo mô bị tổn thương do tuổi tác, bệnh tật hoặc chấn thương Các hạt nano vàng có khả năng phản ứng bề mặt cao giúp chống oxi hóa và kháng khuẩn giúp chống lại khả năng suy thoái của collagen [61] Ở Thụy Sĩ, các nhà khoa học phát triển một thế hệ thuốc kháng virus phổ rộng mới Các nhà nghiên cứu tại Ecole Polytechnique Federale de Lausanne đã tạo ra các hạt nano vàng giúp thu hút virus và tiêu diệt chúng Khi được tiêm vào cơ thể, các hạt nano bắt chước các tế bào của con người, đánh lừa virus và liên kết với chúng khiến virus trở nên vô hại Chúng cũng có thể giúp hạn chế sự gia tăng tình trạng kháng thuốc do sử dụng quá nhiều thuốc kháng sinh [61].

Tiềm năng phát triển trong tương lai

Các nhà khoa học tại Sona Nanotech đã tạo ra sản phẩm hạt nano vàng độc đáo, tổng hợp khối lượng lớn các hạt nano vàng hình que chất lượng cao mà không sử dụng hóa chất độc hại CTAB rất thích hợp cho việc xét nghiệm chuẩn đoán, các thanh nano vàng đầu tiên trên thế giới không sử dụng CTAB có thể sự dụng bên trong cơ thể con người [61]

Do đó, chúng có tiềm năng tạo điều kiện cho các công nghệ cho những đổi mới y học như phương pháp điều trị tế bào mục tiêu không xâm lấn, khối u, mô và cơ quan bao gồm tiêu diệt tế bào ung thư bằng quang nhiệt, thuốc điều trị đau theo vị trí cụ thể [61]

Các nhà phân tích dự đoán rằng thị trường hạt nano vàng toàn cầu sẽ tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng kép hằng năm là 18.84% từ 2017 tới 2021, phần lớn là do nhu cầu ngày càng tăng với các ứng dụng y tế [61]

Sắp tới, sẽ có một cơ hội to lớn cho các nhà sản xuất chuẩn đoán dòng chảy bên ở Trung Quốc để tạo ra các hạt nano vàng ổn định và sản xuất ở quy mô đáng tin cậy Nó sẽ thúc đẩy sự sẵn có của các giải pháp chăm sóc sức khỏe chất lượng cao, hiệu quả về chi phí trên thế giới [61].

Ưu nhược điểm của hạt nano vàng

Bảng 3: Ưu nhược điểm của hạt nano vàng [62] Ưu điểm Nhược điểm

Diện tích bề mặt lớn

Kích thước trung bình thủy động lực học nhỏ

Nhiều ứng dụng trong y học (chuẩn đoán và trị liệu)

Phù hợp cho điều trị bằng phương pháp quang động

Dễ dàng điều chỉnh bề mặt

Tính ổn định và tương thích sinh học

Chi phí cao cho sản xuất số lượng lớn Chưa có các quy trình tiêu chuẩn để áp dụng rộng rãi cho các phòng khám

Không có khả năng phân hủy sinh học