Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Đánh giá khả năng tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh bằng nano vàng ở kích thước khác nhau trên cơ sở hiệu ứng quang nhiệt

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:69

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận văn nhằm khảo sát tính chất quang của hạt nano vàng điều chế bằng phương pháp điện hóa. Đánh giá khả năng hỗ trợ tiêu diệt vi khuẩn của hạt nano vàng ở kích thước khác nhau trên cơ sở hiệu ứng quang nhiệt. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Đánh giá khả năng tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh bằng nano vàng ở kích thước khác nhau trên cơ sở hiệu ứng quang nhiệt

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HOÀNG THỊ DUYÊN ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TIÊU DIỆT VI KHUẨN GÂY BỆNH BẰNG NANO VÀNG Ở KÍCH THƯỚC KHÁC NHAU TRÊN CƠ SỞ HIỆU ỨNG QUANG NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ THÁI NGUYÊN - 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HOÀNG THỊ DUYÊN ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TIÊU DIỆT VI KHUẨN GÂY BỆNH BẰNG NANO VÀNG Ở KÍCH THƯỚC KHÁC NHAU TRÊN CƠ SỞ HIỆU ỨNG QUANG NHIỆT Ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1. TS. NGUYỄN THỊ LUYẾN 2. TS. TRẦN QUANG HUY THÁI NGUYÊN - 2020
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Đánh giá khả năng tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh bằng nano vàng ở kích thước khác nhau trên cơ sở hiệu ứng quang nhiệt” là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự giúp đỡ về mặt chuyên môn và hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Thị Luyến và TS. Trần Quang Huy. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nội dung của luận văn là một phần trong dự án nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ quốc gia, mã số: 108.99-2020.08. Những tài liệu tham khảo đều đã được công bố trên các tạp chí và các trang web uy tín. Các trích dẫn đều được liệt kê đầy đủ trong danh mục tài liệu tham khảo của luận văn. Thái Nguyên, ngày 30 tháng 11 năm 2020. Tác giả luận văn Hoàng Thị Duyên
ii LỜI CẢM ƠN Để có thể hoàn thành được đề tài này, trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Vật lý và Công nghệ - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại đây. Đặc biệt, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Thị Luyến và TS. Trần Quang Huy, những người thầy đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi, trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn anh Nguyễn Xuân Quang, nghiên cứu sinh tại Viện nghiên cứu nano - Trường Đại học Phenikaa đã nhiệt tình hướng dẫn tôi các phương pháp chế tạo mẫu, sử dụng các loại máy đo và hướng dẫn tôi phân tích các kết quả. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô và các anh chị em ở Viện nghiên cứu nano - Trường Đại học Phenikaa đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm thực nghiệm tại đây. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp ở Trường THPT Bắc Kạn đã luôn ủng hộ và cổ vũ để tôi hoàn thành tốt luận văn của mình. Luận văn được sự hỗ trợ của của đề tài nghiên cứu cơ bản được Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ quốc gia, mã số: 108.99-2020.08 Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 11 năm 2020 Tác giả luận văn Hoàng Thị Duyên
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ....................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................. ix MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT....................................................... 4 1.1. Vật liệu nano kim loại ................................................................................ 4 1.1.1. Giới thiệu chung ...................................................................................... 4 1.1.2. Hiệu ứng quang nhiệt .............................................................................. 5 1.1.3. Hiệu ứng quang nhiệt của hạt nano kim loại .......................................... 6 1.2. Vật liệu nano vàng...................................................................................... 6 1.2.1. Giới thiệu chung về nano vàng ............................................................... 6 1.2.2. Đặc tính quang của nano vàng ................................................................ 7 1.3. Các phương pháp chế tạo hạt nano vàng ................................................. 10 1.4. Ứng dụng của nano vàng trong y sinh học............................................... 14 1.5. Kết luận .................................................................................................... 15 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ......................................... 16 2.1. Vật liệu, hóa chất, trang thiết bị ............................................................... 16 2.1.1. Vật liệu, hóa chất................................................................................... 16 2.1.2. Thiết bị .................................................................................................. 16 2.2. Quy trình chế tạo hạt nano vàng .............................................................. 18 2.3. Khảo sát các đặc tính quang học của hạt nano vàng ................................ 19 2.3.1. Phương pháp đo phổ hấp thụ UV-vis .................................................... 19 2.3.2. Phổ tán xạ Raman.................................................................................. 20
iv 2.3.3. Đo quang phổ huỳnh quang (PL) .......................................................... 23 2.4. Khảo sát hình thái bề mặt, cấu trúc tinh thể và độ ổn định của mẫu ....... 25 2.4.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ............................................. 25 2.4.2. Phương pháp phân tích thành phần (EDX) ........................................... 27 2.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ................................... 28 2.4.4. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ...................................................... 29 2.4.5. Phương pháp đo thế Zeta ...................................................................... 31 2.5. Phương pháp ly tâm phân đoạn ................................................................ 33 2.6. Khảo sát hiệu ứng quang nhiệt của dung dịch nano vàng........................ 35 2.7. Đánh giá khả năng kháng khuẩn của các hạt nano vàng ở kích thước khác nhau......................................................................................................... 36 2.7.1. Kỹ thuật kháng sinh đồ khoanh giấy khuếch tán .................................. 36 2.7.2. Kỹ thuật cấy đếm .................................................................................. 38 2.8. Kết luận .................................................................................................... 38 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................... 39 3.1. Phổ hấp thụ UV-vis .................................................................................. 39 3.2. Hình ảnh TEM .......................................................................................... 40 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) ................................................................. 42 3.4. Phân tích thành phần bằng EDX .............................................................. 43 3.5. Kết quả thế Zeta ....................................................................................... 44 3.6. Nano vàng từ ly tâm phân đoạn ............................................................... 46 3.7. Hiệu ứng quang nhiệt của nano vàng ....................................................... 49 3.8. Diệt vi khuẩn có sự hỗ trợ của nano vàng dựa trên hiệu ứng quang nhiệt ..... 50 3.9. Kết luận .................................................................................................... 53 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 54 KIẾN NGHỊ ................................................... Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 55
v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Kí hiệu Giải nghĩa 1 Au Vàng 2 AuNPs Nano vàng 3 UV-vis Quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến 4 SEM Hiển vi điện tử quét 5 TEM Hiển vi điện tử truyền qua 6 XRD Nhiễu xạ tia X 7 EDX Tán xạ năng lượng tia X 8 PL Quang phổ huỳnh quang Poly (hexamethylene biguanide) 9 PHMB hydrochloride 10 E. coli Vi khuẩn (Escherichia coli) 11 S. aureus Tụ cầu (Staphyloccocus aureus)
vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ biểu diễn ứng dụng của hạt nano kim loại .............................. 4 Hình 1.2. Cấu trúc lập phương tâm mặt tinh thể Au ........................................ 7 Hình 1.3. Màu sắc của dung dịch nano vàng phụ thuộc vào kích thước ......... 7 Hình 1.4. Dao động plasmon xảy ra với các hạt nano kim loại hình cầu ........ 8 Hình 1.5. Các bước hình thành hạt nano vàng trong phương pháp Turkevich .... 11 Hình 1.6. Sơ đồ khử sinh học và quá trình hình thành hạt nano vàng ........... 12 Hình 1.7. Sơ đồ chế tạo nano vàng bằng phương pháp điện hóa ................... 13 Hình 1.8. Một số ứng dụng hiệu ứng quang nhiệt của nano vàng trong y sinh ............................................................................................ 14 Hình 2.1. Chế tạo dung dịch nano vàng bằng phương pháp điện hóa ............ 18 Hình 2.2. Mô tả định luật Lambert-Beer......................................................... 19 Hình 2.3. Máy quang phổ UV-vis tại Viện nghiên cứu nano, Trường Đại học Phenikaa ......................................................................................... 20 Hình 2.4. Sơ đồ hệ đo quang phổ Raman ....................................................... 21 Hình 2.5. Cơ chế phát xạ theo giản đồ năng lượng......................................... 23 Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý đo quang phổ huỳnh quang .................................. 24 Hình 2.7. Máy đo phổ huỳnh quang FLS 1000 tại Phòng thí nghiệm thực hành - Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên............................ 24 Hình 2.8. Sơ đồ cấu tạo kính hiển vi điện tử quét ........................................... 25 Hình 2.9. Kính hiển vi điện tử quét (S-4800, Hitachi) tại Phòng thí nghiệm Siêu cấu trúc - Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương............ 26 Hình 2.10. Sơ đồ phát xạ huỳnh quang tia X (EDX) ...................................... 27 Hình 2.11. Sơ đồ cấu tạo kính hiển vi điện truyền qua (TEM)....................... 28 Hình 2.12. Kính hiển vi điện tử truyền qua (JEM 1010, JEOL) tại Phòng thí nghiệm Siêu cấu trúc - Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương ...... 29 Hình 2.13. Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn ....... 30
vii Hình 2.14. Máy nhiễu xạ tia X - D2 tại Phòng thí nghiệm thực hành - Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên ....................................... 31 Hình 2.15. Thiết bị đo thế Zeta Zetasizer tại Viện khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học - Công nghệ Việt Nam ................................... 33 Hình 2.16. Máy ly tâm lạnh UniCen MR tại Viện nghiên cứu nano - Trường Đại học Phenikaa.............................................................. 34 Hình 2.17. Hiệu ứng quang nhiệt của hạt nano vàng ..................................... 35 Hình 2.18. Sơ đồ thí nghiệm khảo sát hiệu ứng quang nhiệt của dung dịch nano vàng ..................................................................................... 36 Hình 2.19. Kháng sinh đồ khoanh giấy khuếch tán ........................................ 37 Hình 3.1. Ảnh quan sát dung dịch nano vàng chế tạo bằng phương pháp điện hóa kết hợp xử lý vi sóng theo thời gian khác nhau ............. 39 Hình 3.2. Phổ UV-vis của nano vàng chế tạo bằng phương pháp điện hóa kết hợp xử lí vi sóng với thời gian khác nhau ............................... 40 Hình 3.3. Ảnh TEM của các mẫu nano vàng xử lý bằng vi sóng theo thời gian khác nhau: (a) không vi sóng; (b) 1 phút; (c) 3 phút; (d) 5 phút; (e) 10 phút; (f) 15 phút ......................................................... 41 Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của hạt nano vàng chế tạo bằng phương pháp điện hóa ................................................................... 42 Hình 3.5. Phổ EDX của hạt nano vàng chế tạo bằng phương pháp điện hóa ...... 43 Hình 3.6. Giản đồ thế Zeta của các mẫu xử lý vi sóng theo thời gian khác nhau: (a) không vi sóng; (b) 1 phút; (c) 3 phút; (d) 5 phút; (e) 10 phút; (f) 15 phút........................................................................ 46 Hình 3.7. Phổ UV-vis của mẫu nano vàng sau xử lý vi sóng 10 phút được ly tâm phân đoạn với tốc độ 5000 vòng/phút và 15.000 vòng/phút ....................................................................................... 47 Hình 3.8. Ảnh TEM các hạt nano vàng sau xử lý vi sóng 10 phút được ly tâm phân đoạn với tốc độ 5000 vòng/phút (a) và 15.000 vòng/phút (b) ... 48
viii Hình 3.9. Biểu đồ biểu diễn độ biến thiên nhiệt độ theo thời gian chiếu laze của nước và các dung dịch nano vàng ly tâm phân đoạn ở tốc độ khác nhau khi được chiếu sáng bởi nguồn laze có bước sóng 532 nm .................................................................................. 49 Hình 3.10. Ảnh các đĩa thạch sau khi thực hiện kỹ thuật kháng sinh đồ khoanh giấy khuếch tán với các mẫu vàng kích thước khác nhau ............................................................................................... 50 Hình 3.11. Ảnh đĩa thạch sau khi thực hiện kỹ thuật cấy đếm vi khuẩn E.coli với mẫu vàng ly tâm 5000 vòng/phút ................................. 52
ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Độ ổn định của dung dịch hạt nano phụ thuộc vào thế bề mặt ..... 32 Bảng 2.2. Các dung dịch thử nghiệm kháng sinh đồ khoanh giấy khuếch tán ... 37 Bảng 2.3. Các dung dịch thử nghiệm cấy đếm .............................................. 38 Bảng 3.1. Thành phần % các nguyên tố trong mẫu nano vàng chế tạo bằng phương pháp điện hóa .......................................................... 44 Bảng 3.2. Đỉnh thế Zeta của các mẫu chế tạo ở điều kiện khác nhau............. 46
1 MỞ ĐẦU Công nghệ nano đang đi vào mọi lĩnh vực từ công nghệ sản xuất, nghiên cứu khoa học đến đời sống ngày. Vật liệu nano trong các ứng dụng y sinh đang là hướng nghiên cứu được nhiều nhà khoa học trên thế giới và trong nước quan tâm phát triển. Một trong những loại vật liệu nano mang lại nhiều tiềm năng cho các ứng dụng đó là vật liệu nano kim loại, đặc biệt là nano vàng. Ở kích thước nano, vàng bộc lộ những tính chất đặc biệt so với ở dạng khối, đặc biệt là hiệu ứng plasmon bề mặt, độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ phản quang cao và tương thích với các phần tử sinh học [1][2]. Hạt nano vàng có tần số cộng hưởng plasmon nằm trong vùng khả kiến tạo ra các hiệu ứng về màu sắc. Với nano kim loại nói chung, nano vàng nói riêng hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt phụ thuộc mạnh vào kích thước, hình dạng và môi trường bao quanh chúng. Hơn nữa, đặc tính ưu việt của hạt nano vàng là không độc, có cấu trúc ổn định, có khả năng tương thích sinh học cao và dễ dàng hoạt hóa bề mặt để gắn kết với các phần tử sinh học cũng như các phân tử thuốc thông qua các chất có chứa nhóm - SH. Chính vì vậy, nghiên cứu ứng dụng y sinh của các hạt nano vàng ngày càng phát triển. Trong y học, hạt nano vàng có thể ứng dụng với các mục đích khác nhau như là sử dụng để tiêu diệt tế bào ung thư, dẫn thuốc trong điều trị hướng đích, chụp ảnh sinh học, trong chẩn đoán tác nhân gây bệnh... Để chức năng hóa được với các phần tử sinh học hoặc mang thuốc, đặc biệt là khi đưa vào cơ thể người hay động vật thì các hạt nano vàng điều chế được phải có độ sạch cao, không chứa các chất tồn dư có hại gây độc cho cơ thể. Ngoài những yếu tố nêu trên, giá thành sản phẩm và vật liệu hóa chất đầu vào cũng là vấn đề cần quan tâm. Với điều kiện thí nghiệm và ứng dụng tại Việt Nam, việc chủ động được nguồn nguyên liệu, làm chủ được phương pháp điều chế phù hợp và chức năng hóa thành công nano vàng sạch không chỉ là khám phá ra phương pháp chế tạo mới mà còn chủ động tạo ra nguồn
2 cung nano vàng ổn định, giá thành rẻ cho những ứng dụng trong điều trị và chẩn đoán mầm bệnh. Đề tài nghiên cứu đề xuất được xây dựng trên cơ sở tham khảo từ những tài liệu liên quan đã công bố trong và ngoài nước; những thành tựu của nhóm nghiên cứu được phát triển bởi TS. Trần Quang Huy về việc ứng dụng công nghệ điện hóa trong việc chế tạo vật liệu nano kim loại từ vật liệu khối. Việc tạo ra nano vàng sạch ở các kích thước khác nhau từ vàng dạng khối sẽ chủ động hơn trong việc nghiên cứu và triển khai ứng dụng liên quan đến nano vàng. Hơn nữa, đánh giá khả năng diệt vi khuẩn của nano vàng dựa trên hiệu ứng quang nhiệt sẽ giúp cho việc hướng tới những ứng dụng dùng vật liệu này để mang thuốc hướng đích và/hoặc tiêu diệt tại chỗ những ổ vi khuẩn gây bệnh trong cơ thể có màng bao bọc, nhất là những màng làm ngăn cản sự xâm nhập của thuốc tới mầm bệnh. Với những lý do nêu trên, và điều kiện trang thiết bị hiện có của phòng thí nghiệm và sự định hướng của Thầy hướng dẫn mà tôi đã lựa chọn chủ đề “Đánh giá khả năng tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh bằng nano vàng ở kích thước khác nhau trên cơ sở hiệu ứng quang nhiệt” làm đề tài của luận văn. Mục tiêu nghiên cứu: Khảo sát tính chất quang của hạt nano vàng điều chế bằng phương pháp điện hóa. Đánh giá khả năng hỗ trợ tiêu diệt vi khuẩn của hạt nano vàng ở kích thước khác nhau trên cơ sở hiệu ứng quang nhiệt. Phương pháp nghiên cứu: Luận văn được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm tại Viện Nghiên cứu Nano của Trường Đại học Phenikaa và Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên. Việc chế tạo nano vàng và khảo sát các đặc tính quang bằng các thiết bị phân tích hiện đại tại phòng thí nghiệm của các cơ sở nghiên cứu uy tín.
3 Cấu trúc luận văn: Mở đầu Chương 1: Tổng quan lý thuyết. Giới thiệu chung về vật liệu nano kim loại, các đặc điểm nổi bật của nano kim loại. Trình bày về đặc tính quang của nano vàng và phương pháp chế tạo nano vàng. Đồng thời nêu các ứng dụng của hạt nano vàng trong y sinh. Chương 2: Phương pháp thực nghiệm. Trình bày quy trình chế tạo nano vàng và khảo sát tính chất quang của các hạt nano vàng. Quy trình thử nghiệm khả năng diệt vi khuẩn của nano vàng sử dụng hiệu ứng quang nhiệt. Chương 3: Kết quả và thảo luận. Trình bày kết quả nghiên cứu đã đạt được về những yếu tố ảnh hưởng hình thái, cấu trúc, các đặc tính quang học của nano vàng và thử nghiệm khả năng sử dụng hạt nano vàng để hỗ trợ diệt vi khuẩn theo kích thước trên cơ sở hiệu ứng quang nhiệt. Kết luận chung và kiến nghị. Tóm tắt những kết quả nổi bật mà luận văn đã đạt được. Những kiến nghị của luận văn.
4 Chương 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1. Vật liệu nano kim loại 1.1.1. Giới thiệu chung Nano kim loại, được định nghĩa là kim loại có kích thước hạt dưới 100 nm [3]. Trong những năm gần đây, các hạt nano (NP) kim loại như bạc (Ag), vàng (Au) và đồng (Cu), v.v… được quan tâm nghiên cứu ngày càng sâu rộng. Nó là chìa khóa mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong công nghệ nano. Đặc biệt các hạt nano kim loại là các kim loại có tỷ lệ diện tích bề mặt trên khối lượng lớn, các tính chất quang độc đáo như hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt và hiệu ứng quang nhiệt...[4]. Với các đặc tính đó, các hạt nano kim loại được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong nông nghiệp, công nghệ vật liệu y sinh, công nghiệp và trong xử lý môi trường (Hình 1.1.). Hình 1.1. Sơ đồ biểu diễn ứng dụng của hạt nano kim loại
5 1.1.2. Hiệu ứng quang nhiệt Hiệu ứng quang nhiệt là hiệu ứng chuyển đổi quang năng thành nhiệt năng do các hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu tới. Sau đó, diễn ra quá trình phát xạ nhiệt khỏi hạt nano tăng nhiệt độ môi trường xung quanh. Đặc biệt với hạt nano kim loại quá trình phát xạ nhiệt sẽ được tăng cường do có hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt. Khi chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc thích hợp (nguồn laze), các hạt nano và môi trường sẽ hấp thụ nhiệt lượng của laze làm nhiệt độ của hệ tăng dần lên cho đến khi hệ đạt sự cân bằng giữa quá trình thu nhiệt và tỏa nhiệt. Mối liên hệ giữa sự biến thiên nhiệt của hệ theo thời gian được biểu diễn bởi phương trình 1.1: dT * = A − BT * (1.1) dt Trong đó: - A là vận tốc hấp thụ nhiệt lượng. - B là vận tốc tỏa nhiệt - T* = T - T0 (T là nhiệt độ của hệ, To nhiệt độ môi trường ban đầu). Hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt η hay khả năng chuyển đổi quang năng thành nhiệt năng của các hạt nano kim loại có thể được tính trực tiếp từ sự gia tăng nhiệt độ ổn định theo công thức: hs(Tmax − T0 ) − Q0 = (1.2) I (1 − 10 A ) Với: - I là công suất của nguồn kích thích laze. - h là hệ số truyền nhiệt. - s là diện tích tiếp xúc của các hạt nano với môi trường xung quanh. - Tmax là nhiệt độ cao nhất mà môi trường đạt được. - Q0 nhiệt lượng nhận được từ quá trình hấp thụ nhiệt trực tiếp từ nguồn laze. -  là độ hấp thụ của các hạt nano kim loại với bước sóng  . -  là hiệu suất chuyển đổi.
6 1.1.3. Hiệu ứng quang nhiệt của hạt nano kim loại Khi chiếu xạ các hạt nano kim loại quý (ví dụ: vàng, bạc, đồng) bằng ánh sáng có bước sóng thích hợp, các điện tử tự do trên bề mặt hạt nano bị kích thích và các điện tử vùng dẫn xảy ra hiện tượng dao động cộng hưởng ở cùng tần số. Khi một electron bị kích thích có năng lượng cao tùy từng điều kiện sẽ xảy ra bức xạ huỳnh quang hoặc tạo ra các điện tử nhiệt. Các hạt tải điện nhiệt phân bố không trở lại trạng thái ban đầu (tức là các electron nhiệt và lỗ trống nhiệt) chuyển mức bởi sự tán xạ điện tử-điện tử mà không làm mất năng lượng photon đã hấp thụ, dẫn đến nhiệt hóa điện tử bên trong. Trong khoảng thời gian từ 100 ps đến 1 ns, tương ứng với bước chuyển mức năng lượng cuối cùng sau khi kích thích, năng lượng nói trên chuyển tới mạng tinh thể kim loại thông qua electron - phonon thông qua sự va chạm giữa các electron nhiệt và nút mạng trong tinh thể kim loại. Bước chuyển mức năng lượng này cuối cùng tạo ra nhiệt tiêu và giải phóng nhiệt lượng ra môi trường xung quanh các hạt nano kim loại (tức là hiệu ứng quang nhiệt) [5]. 1.2. Vật liệu nano vàng 1.2.1. Giới thiệu chung về nano vàng Vàng (Au) là nguyên tố kim loại quý đứng vị trí thứ 79 trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, có cấu hình điện tử [Xe] 5d106s và [Xe] 5d96s1. Nguyên tử vàng có hai mức năng lượng 5d và 6s xấp xỉ nhau, do vậy các điện tử có thể dịch chuyển được trong cả hai trạng thái này. Chính vì thế, các điện tử trong vàng rất linh động tạo nên tính dẻo dai đặc biệt và khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. Ở dạng khối, vàng có ánh kim, màu vàng, nhiệt độ nóng chảy 1.063,4oC, nhiệt độ sôi là 2.880oC, dẫn nhiệt (350 W/m.K) và dẫn điện (40.107 Ω/m), trơ trong không khí khô và ẩm nên vàng rất bền ở điều kiện thường. Cấu trúc tinh thể của Au dạng lập phương tâm mặt (Hình 1.2), trong đó, mỗi nguyên tử Au liên kết với 12 nguyên tử Au xung quanh và có hằng số mạng là a = 4,0786 Å [6].
7 Hình 1.2. Cấu trúc lập phương tâm mặt tinh thể Au [6] 1.2.2. Đặc tính quang của nano vàng Các hạt nano vàng với kích thước từ 1 nm đến lớn hơn 100 nm 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 là sự thay đổi màu sắc của chúng, cụ thể là sẽ chuyển từ màu vàng với vật liệu khối sang màu đỏ ở kích thước 90 nm, chuyển dần sang đỏ tía ở kích thước 30 nm. Sự thay đổi màu sắc này là do hiệu ứng plasmon bề mặt của hạt nano vàng tạo ra [7]. Hình 1.3. Màu sắc của dung dịch nano vàng phụ thuộc vào kích thước [7] Một trong những tính chất quan trọng của nano vàng là hiệu ứng plasmon bề mặt (surface plasmon resonance: SPR). Chính nhờ tính chất này mà
8 nano vàng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong chẩn đoán và điều trị ung thư. Hình 1.4. Dao động plasmon xảy ra với các hạt nano kim loại hình cầu [8] Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt được giải thích là: điện trường của sóng điện từ tác động lên các electron tự do trên bề mặt hạt nano, làm electron bị dồn về một phía, gây ra sự phân cực (Hình 1.4). Sau đó, dưới tác dụng của lực phục hồi coulombic, các electron sẽ trở lại vị trí ban đầu. Vì có bản chất sóng, nên điện trường dao động làm cho sự phân cực này dao động theo. Sự dao động này được gọi là plasmon. Khi tần số dao động của đám mây electron trùng với tần số của một bức xạ điện từ nào đó, sẽ gây ra sự dao động hàng loạt của các electron tự do. Hiện tượng này gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt. Như vậy, hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt là sự kích thích các electron tự do bên trong vùng dẫn, dẫn tới sự hình thành các dao động cùng pha. Với kim loại dạng khối dao động này sẽ tắt dần do va chạm với các nút mạng dao động của các electron mất dần năng lượng. Tuy nhiên, khi kích thước của một tinh thể nano kim loại nhỏ hơn bước sóng của bức xạ tới, khi tần số photon tới cộng hưởng với tần số dao động của electron tự do ở bề mặt sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt. Đối với hạt nano vàng, dao động cộng hưởng plasmon dẫn tới sự hấp thụ mạnh của ánh sáng vùng khả kiến. Điều này dẫn tới sự thay đổi lớn về màu sắc của dung dịch nano vàng như (Hình 1.3). Số lượng và vị trí của dải bước sóng plasmon phụ
9 thuộc vào kích thước và hình thái bề mặt của hạt nano vàng điều này thể hiện rất rõ trong lý thuyết Mie. Khi kích thước của hạt cầu nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng (2R > , trường điện từ trong hạt là không đồng nhất, sẽ có sự dịch pha dẫn tới kích thích dao động đa cực. Kết quả là lý thuyết này đã tìm ra được tiết diện dập tắt  abs , bao gồm cả tiết diện hấp thụ  ext và tiết diện tán xạ  sca của hạt như sau [9]:  2  ext = x2  (2 j + 1)[Re(a j =1 j + b j ) ] (1.3)  2  (2 j + 1)[Re( a 2 2  sca = j + a j ) (1.4) x2 j =1  abs =  ext +  sca (1.5) Với x cho bởi biểu thức: 2Rn m x=  Trong đó - R là bán kính hạt -  là tần số góc của ánh sáng tới trong chân không. - aj và bj là các hệ số tán xạ - nm là chiết suất thực của môi trường xung quanh.