Luận văn Nghiên cứu chế tạo hạt Nano đa chức năng Ag-4ATP/Fe₃O₄ bọc SiO₂ nhằm ứng dụng trong sinh học

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu chế tạo hạt Nano đa chức năng Ag-4ATP/Fe₃O₄ bọc SiO₂ nhằm ứng dụng trong sinh học

1. Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------- Nguyễn Thị Nhung NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO ĐA CHỨC NĂNG Ag-4ATP/Fe3O4 BỌC SiO2 NHẰM ỨNG DỤNG TRONG SINH HỌC LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - 2013 1
2. Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------- Nguyễn Thị Nhung NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO ĐA CHỨC NĂNG Ag-4ATP/Fe3O4 BỌC SiO2 NHẰM ỨNG DỤNG TRONG SINH HỌC TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn Mã số: 60 44 01 04 Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hoàng Nam Hà Nội - 5/2013 2
3. Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung Mở đầu Công nghệ nano đã có những bước phát triển mạnh mẽ kể từ khi nó xuất hiện tới nay và đã tạo ra diện mạo mới cho không chỉ các ngành khoa học cơ bản mà còn cho các ngành khoa học ứng dụng trong thực tế đời sống.Một trong những hướng phát triển mạnh mẽ là vật liệu nano được nghiên cứu ứng dụng rất nhiều trong nghiên cứu đánh dấu, chữa trị y sinh bởi bên cạnh việc chúng có kích thước phù hợp với kích thước các phân tử sinh học chúng còn có các tính chất vật lý đặc biệt tại các kích thước này [1, 2]. Một trong những tính chất đặc biệt đó là tổng diện tích bề mặt tăng vọt khi kích thước vật liệu gỉảm xuống đến kích cỡ nano, giúp cho diện tích tiếp xúc giữa vật liệu và các phân tử sinh học tăng dẫn tới hệ quả là sự tăng vọt độ nhạy của các phép đo, cảm biến [3, 4]. Hình thái, kích thước của các hạt kim loại như vàng, bạc được điều khiển để chúng có dạng thanh [5], dạng cầu [6] hoặc kim tự tháp [7] phục vụ cho các mục đích khác nhau như đánh dấu và điều trị trong y sinh. Các vật liệu bán dẫn cũng được nghiên cứu ở các hình thái khác nhau như tetrapod, dạng cầu để tăng diện tích tiếp xúc với các enzyme, cơ chất chỉ thị trong các nghiên cứu tăng độ nhạy của cảm biến điện hóa. Ngoài ra, để tăng độ khả năng ứng dụng trong sinh học, các vật liệu nano còn được bọc bởi nhiều lớp polymer khác nhau như polyethylene glycol [8, 9, 10, 11, 12], chitosan, polyalanine Những lớp vỏ này bên cạnh việc bảo vệ các hạt nano khỏi tác động của môi trường, giảm tính độc hại [13, 14, 15] còn tạo ra các gốc hữu cơ có tính tương thích sinh học cao như amin (-NH2), carboxyl (-COOH), Song song với việc thay đổi kích thước các vật liệu nano đơn chức năng và thay đổi các lớp vỏ bọc hữu cơ tương thích sinh học, các loại vật liệu đa chức năng có cấu trúc lõi vỏ cũng liên tục được phát triển sao cho phù hợp với mục tiêu nghiên cứu ứng dụng. Các lớp vỏ kim loại quý như Au, Ag, [16] được sử dụng để tăng độ bền hóa học của các hạt từ, đồng thời cũng tăng khả năng liên kết với các phân tử hữu cơ có các gốc thiol (-SH). Các lớp vỏ bán dẫn chứa sulfide như ZnS được tạo ra trên bề mặt các vật liệu huỳnh quang bán dẫn vừa để tăng khả năng phát huỳnh quang đồng thời cùng tăng khả năng tương tác với các gốc phân tử có lưu huỳnh. Trong những năm gần 3
4. Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung đây, mặc dù số lượng các nhóm nghiên cứu cũng như các công trình công bố trên thế giới về việc chế tạo các hạt nano đa chức năng có cấu trúc lõi vỏ tăng vọt, nhưng vẫn không thiếu những thách thức. Đầu tiên, để chế tạo ra được cấu trúc lõi vỏ hoàn hảo, thường cần có điều kiện thí nghiệm ngặt nghèo, qui mô phòng thí nghiệm phải đảm bảo độ sạch và vì vậy nên giá thành chế tạo rất cao, đi đôi với việc khó khăn trong công nghiệp hóa. Bởi vậy, nhóm nghiên cứu đã định hướng sử dụng phương pháp đơn giản là vi nhũ tương đảo để nghiên cứu tổ hợp các hạt nano đa chức năng vừa có tính từ và vừa cho tín hiệu đặc trưng có thể đánh dấu của các hạt nano kim loại. Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi trình bày phương pháp tổ hợp hạt nano đa chức năng từ các hạt nano đơn lẻ là hạt nano từ Fe3O4 và hạt nano Ag chức năng hóa bề mặt bởi nhóm chức 4-ATP (aminothiophenol). Các hạt đơn lẻ này được tổ hợp trong một lớp vỏ SiO2 [16, 17] chung để giúp hạt nano đa chức năng mang tính tương thích sinh học cao. Các hạt nano đơn chức năng được chế tạo riêng lẻ và được tổ hợp lại băng phương pháp vi nhũ tương đảo. Sau khi được tổ hợp, hạt nano đa chức năng được khảo sát từ tính và tính chất quang bằng phương pháp tán xạ Raman tăng cường bề mặt cho thấy các tính chất của hạt nano đơn chức năng vẫn thể hiện rõ rệt. Kết quả này đã mở ra triển vọng cho việc chế tạo các hạt nano đa chức năng với giá thành rẻ và có tiềm năng rất lớn trong ứng dụng thực tế. 4
5. Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung Chƣơng 1: Tổng quan 1.1. Khoa học và công nghệ nano Khoa học và công nghệ nano là một ngành khoa học còn rất trẻ với tuổi đời không quá 60 năm (từ 1954) nhưng những năm gần đây ngành khoa học công nghệ nano thu hút được sự quan tâm trên rất nhiều các lĩnh vực bởi tính chất thú vị của nó. Khi kích thước của vật liệu nhỏ và đạt đến ngưỡng đủ nhỏ - nanomet - thì chúng có những tính chất đặc biệt thú vị. Các vật liệu sắt từ như Fe3O4, CoPt, FeCo ... ởkích thước nano sẽ mang tính chất của vật liệu siêu thuận từ. Tương tự vậy, trong các vật liệu bán dẫn như ZnO, TiO2, ZnS, PbS, ... ở các kích thước nhỏ đạt đến bán kính tương tác exciton xuất hiện sự thay đổi của năng lượng chuyển mức dẫn đến khả năng phát quang của vật liệu (quantum dots – chấm lượng tử). Các kim loại dẫn điện tốt còn có thêm một tính chất mới rất thú vị đó là cộng hưởng plasmon bề mặt khi kích thước vật liệu đạt đến thang đo nano. Các tính chất kể trên không chỉ mở ra nhiều định hướng nghiên cứu cho các ngành khoa học cơ bản mà còn đem lại rất nhiều cơ hội cho các ngành nghiên cứu ứng dụng. Bên cạnh sự xuất hiện của các tính chất mới, khi kích thước của vật liệu càng nhỏ diện tích bề mặt của chúng càng lớn. Điều này trở thành một lợi thế rất lớn cho các vật liệu có cấu trúc nano trong các ngành khoa học ứng dụng cỡ phân tử như xử lí môi trường, sinh học phân tử... Diện tích bề mặt tăng đầu tiên giúp cho khả năng liên kết của vật liệu với các vật liệu khác. Trên bề mặt của vật liệu có các phần tử bắt cặp tốt với các chất chỉ thị đặc trưng, hoặc thậm chí với các chất bụi bẩn thông qua các liên kết cộng hóa trị, liên kết ion... tạo cơ hội ứng dụng cho việc xử lí chất thải, lọc nước và vệ sinh môi trường. Bằng cách xử lý bề mặt để vật liệu có thêm những tính chất mới phù hợp với mục đích ứng dụng như chức năng hóa bề mặt, phủ bề mặt bằng một lớp vật liệu khác có hoạt tính mới... vật liệu nano còn được ứng dụng vào trong các ngành khoa học khác như y sinh, chế tạo cảm biến ... Diện tích bề mặt tăng, kích thước nhỏ là lợi thế trong việc giảm thiểu kích thước của sản phẩm, cũng như làm tăng độ nhạy của các phép đo trong các ứng dụng. 5
6. Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung 1.2. Hạt nano từ Fe3O4 Các vật liệu từ thông thường đều có sự hưởng ứng với từ trường ngoài (H), thể hiện bằng độ từ hóa (từ độ - M). Tỷ số = M/H được gọi là độ cảm từ. Tùy thuộc vào giá trị, độ cảm từ có thể phân ra làm các loại vật liệu từ khác nhau.Vật liệu có  0 (~10-6) được gọi là vật liệu thuận từ. Vật liệu có > 0 với giá trị rất lớn có thể là vật liệu sắt từ, ferri từ. Ở đây, vật liệu có từ tính ngụ ý là vật liệu sắt từ, ferri từ hoặc siêu thuận từ. Ngoài độ cảm từ, một số thống số khác cũng rất quan trọng trong việc xác định tính chất của vật liệu, ví dụ như: từ độ bão hòa MS (từ độ đạt cực đại tại từ trường lớn), từ dư Mr (từ độ còn dư sau khi ngừng tác động của từ trường ngoài), lực kháng từ HC (từ trường ngoài cần thiết để một hệ, sau khi đạt trạng thái bão hòa từ, bị khử từ). Nếu kích thước của hạt giảm đến một giá trị nào đó (thông thường từ vài cho đến vài chục nano mét), phụ thuộc vào từng vật liệu cụ thể, tính sắt từ và ferri từ biến mất, chuyển động nhiệt sẽ thắng thế và làm cho vật liệu trở thành vật liệu siêu thuận từ. Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ gần như bằng không. Điều đó có nghĩa là, khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học. Hạt nano từ tính dùng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: tính đồng nhất của các hạt cao, từ độ bão hòa lớn và vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc tính). Tính đồng nhất về kích thước và tính chất liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo còn từ độ bão hòa và tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu. Trong tự nhiên, sắt (Fe) là vật liệu có từ độ bão hòa lớn nhất tại nhiệt độ phòng. Ngoài ra sắt ở một nồng độ nhỏ không độc đối với cơ thể người cộng thêm tính ổn định khi làm việc trong môi trường không khí nên các vật liệu như ô-xít sắt Fe3O4 được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nanô từ tính ứng dụng trong y sinh. Một trong các tính chất quan trọng của hạt nano từ là tính siêu thuận từ có được khi kích thước nhỏ đến mức năng lượng nhiệt thắng thế so với trạng thái trật tự từ. Kích thước chuyển sắt từ-siêu thuận từ được xác định bởi công thức sau: 6
7. Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung KV< 25 kBT Trong đó, K là hằng số dị hướng từ tinh thể, V là thể tích hạt nano, kB là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ. Với một kích thước nhất định thì khi nhiệt độ thấp hạt nano thể hiện tính sắt từ, khi nhiệt độ cao hạt nano thể hiện tính siêu thuận từ. Nhiệt độ mà ở đó hạt nano chuyển từ sắt từ sang siêu thuận từ gọi là nhiệt độ chuyển TB. Ở trạng thái siêu thuận từ vật liệu hưởng ứng mạnh với từ trường ngoài nhưng khi không có từ trường hạt nano ở trạng thái mất từ tính hoàn toàn. Bằng việc lựa chọn vật liệu và kích thước, chúng ta có thể có được hạt nano siêu thuận từ như mong muốn. Ngoài ra, các hạt nano từ tính có kích thước tương ứng với kích thước của các phân tử nhỏ (1-10 nm) hoặc kích thước của các vi rút (10-100 nm). Chính vì thế mà hạt nano có thể thâm nhập vào hầu hết các cơ quan trong cơ thể và giúp cho chúng ta có thể thao tác ở qui mô phân tử và tế bào. Diện tích bề mặt lớn của các hạt nano giúp cho các hiệu ứng xảy ra bên trên bề mặt diễn ra rất mạnh mẽ. Ví dụ chức năng hóa bề mặt của hạt nano từ tính thì việc gắn kết hạt nano với các tế bào thông qua các kháng thể/kháng nguyên sẽ dễ dàng. Một số phương pháp chế tạo hạt nano oxít sắt từ Fe3O4: Phương pháp nghiền: Phương pháp nghiền được phát triển từ rất sớm để chế tạo hạt nano từ tính dùng cho các ứng dụng vật lý như truyền động từ môi trường không khí vào buồng chân không, làm chất dẫn nhiệt trong các loa công suất cao,... Trong những nghiên cứu đầu tiên về CLT, vật liệu từ tính ô-xít sắt Fe3O4 được nghiền cùng với chất hoạt hóa bề mặt CHHBM (ví dụ a-xít Oleic) và dung môi (dầu, hexane). CHHBM giúp cho quá trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt kết tụ với nhau. Sau khi nghiền, sản phẩm phải trải qua một quá trình phân tách hạt rất phức tạp để có được các hạt tương đối đồng nhất. Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn. Việc thay đổi CHHBM và dung môi không ảnh hưởng nhiều đến quá trình chế tạo. Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt nano không cao vì khó có thể khống chế quá trình hình 7
8. Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung thành hạt nano.Hạt nano từ tính chế tạo bằng phương pháp này thường được dùng cho các ứng dụng vật lý. Phương pháp đồng kết tủa: Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ của chất đạt đến một trạng thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tụ. Các mầm kết tụ đó sẽ phát triển thông qua quá trình khuyếch tán của vật chất từ dung dịch lên bề mặt của các mầm cho đến khi mầm trở thành hạt nano (hình 1.1). Để thu được hạt có độ đồng nhất cao, người ta cần phân tách hai giai đoạn hình thành mầm và phát triển mầm. Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế sự hình thành của những mầm mới.Các phương pháp sau đây là những phương pháp kết tủa từ dung dịch: đồng kết tủa, nhũ tương, polyol, phân ly nhiệt...Phương pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp thường được dùng để tạo các hạt ô-xít sắt. Có hai cách để tạo ô xít sắt bằng phương pháp này đó là hydroxide sắt bị ô xi hóa một phần bằng một chất ô xi hóa nào đó và già hóa hỗn hợp dung dịch có tỉ phần hợp thức Fe+2 và Fe+3 trong dung môi nước. Phương pháp thứ nhất có thể thu được hạt nano có kích thước từ 30 nm – 100 nm. Phương pháp thứ hai có thể tạo hạt nano có kích thước từ 2 nm – 15 nm. Bằng cách thay đổi pH và nồng độ ion trong dung dịch mà người ta có thể có được kích thước hạt như mong muốn đồng thời làm thay đổi điện tích bề mặt của các hạt đã được hình thành. Hình 1.1: Cơ chế hình thành và phát triển hạt nano trong dung dịch 3+ 2+ Cơ chế tổng hợp hạt nano Fe3O4 như sau: với tỉ phần mol hợp lí Fe /Fe = 2 trong môi trường kiềm có pH = 9 – 14 và trong điều kiện thiếu ô xy. 8
9. Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung 3+ Fe + H2O Fe(OH)x3-x (thông qua quá trình mất proton) 2+ Fe + H2O Fe(OH)y2-y (thông qua quá trình mất proton) Fe(OH)x3-x + Fe(OH)y2-y Fe3O4 (thông qua quá trình ô xi hóa và dehydride hóa, pH > 9, nhiệt độ 60°). Tổng hợp các phản ứng trên chúng ta có phương trình sau: 2+ 3+ - Fe + 2Fe + 8OH = Fe3O4 + 4H2O Nếu có ô xi thì magnetite bị ô xi hóa thành hdroxide theo phản ứng: Fe3O4 + 0,25 O2 + 4,5 H2O 3Fe(OH)3 Phương pháp vi nhũ tương: Vi nhũ tương cũng là một phương pháp được dùng khá phổ biến để tạo hạt nano. Với nhũ tương “nước-trong-dầu”, các giọt dung dịch nước bị bẫy bởi các phân tử CHHBM trong dầu (các mixen) (hình 1.2). Đây là một dung dịch ở trạng thái cân bằng nhiệt động trong suốt, đẳng hướng. Do sự giới hạn về không gian của các phân tử CHHBM, sự hình thành, phát triển các hạt nano bị hạn chế và tạo nên các hạt nano rất đồng nhất. Kích thước hạt có thể từ 4-12 nm với độ sai khác khoảng 0.2-0.3 nm. Ví dụ, dodecyl sulfate sắt, Fe(DS)2, được dùng trong phương pháp vi nhũ tương để tạo hạt nano từ tính với kích thước có thể được điều khiển bằng nồng độ chất hoạt hóa bề mặt (CHHBM) là AOT và nhiệt độ. Phương pháp vi nhũ tương cũng là một phương pháp chế tạo hạt nano đã được thế giới ứng dụng từ lâu do khả năng điều khiển kích thước hạt dễ dàng của nó. Cơ chế cụ thể của phản ứng xảy ra trong hệ vi nhũ tương như sau (hình 3): Phản ứng hóa học tạo các chất mong muốn sẽ xảy ra khi ta hòa trộn các hệ vi nhũ tương này lại với nhau. Có 2 cách để các phân tử chất phản ứng gặp nhau: 9
10. Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Nhung Hình 1.2: Hệ nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước. Cách thứ nhất: Các phân tử chất phản ứng thấm qua lớp màng chất hoạt hóa bề mặt ra ngoài và gặp nhau. Nhưng thực tế thì tỷ lệ sản phẩm tạo thành theo cách này là rất nhỏ,không đáng kể. Cách thứ hai: Khi các hạt vi nhũ tương của các chất phản ứng gặp nhau, nếu có đủ lực tác động thì 2 hạt nhỏ (A,B) có thể tạo thành một hạt lớn hơn (C). Các chất phản ứng trong 2 hạt nhỏ sẽ hòa trộn, phản ứng xảy ra trong lòng hạt lớn và sản phẩm mong muốn được tạo thành (ở đây là các hạt magnetite Fe3O4).Các hạt magnetite Fe3O4 sau khi tạo thành sẽ bị chất hoạt hóa bề mặt bao phủ và ngăn cản không cho phát triển thêm về kích thước. Hình 1.3: Cơ chế hoạt động của phương pháp vi nhũ tương. 10