Vật lý<br />
<br />
XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA CÁC HẠT<br />
NANO VÀNG BÁN NGUYỆT ĐƠN NHẤT<br />
Vũ Xuân Hòa1*, Emmanuel Fort2, Dương Thị Thanh Trà1,<br />
Nguyễn Văn Hảo1, Phạm Thị Thu Hà1, Phạm Minh Tân1<br />
Tóm tắt: Khả năng đo đạc, xác định các thông số động học của các hạt nano<br />
(hay các phân tử) trong môi trường có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực, đặc<br />
biệt là trong Y-sinh học. Tuy nhiên, việc xác định các thông số động học của một<br />
hạt nano duy nhất từ xa vẫn là một thách thức hiện nay. Trong báo cáo này, chúng<br />
tôi tập trung nghiên cứu động học của các hạt nano vàng bán nguyệt trong môi<br />
trường hỗn hợp glycerol (40 % glycerol và 60 % nước). Bằng công nghệ mới là:<br />
theo dõi một hạt nano vàng duy nhất chuyển động Brown trong chất lỏng chúng tôi<br />
xác định các hệ số khuếch tán dịch chuyển ( ), vận tốc dịch chuyển (v) tại một<br />
nhiệt độ xác định. Các kết quả thực nghiệm được đo đạc trên các thiết bị hiện đại<br />
như: kính hiển vi quang học trường tối và camera CCD nhanh, nhạy từ đó cho độ<br />
chính xác cao.<br />
Từ khóa: Hạt nano vàng bán nguyệt, Chuyển động Brown, Hệ số khuếch tán.<br />
<br />
1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Hiện nay, công nghệ nano đang phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới nói chung<br />
và trong nước ta nói riêng. Việc nghiên cứu các quá trình động học của các hạt<br />
nano khi chúng được nhấn chìm trong một chất lỏng đang được đặc biệt quan tâm<br />
vì từ đó nó mở ra nhiều ứng dụng trong các môi trường giả sinh học và sinh học,<br />
đặc biệt là trong tế bào sống. Trong nước, nhóm PGS. Trần Hồng Nhung- Viện Vật<br />
lý đã có một số nghiên cứu về động học của các chấm lượng tử, như quá trình<br />
truyền năng lượng Foster giữa các hạt nano trong môi trường nước. Trên thế giới,<br />
một số nhóm đã có những nghiên cứu đầu tiên về theo dõi các hạt nano vàng trong<br />
môi trường tế bào như nhóm của Brahim Lounis tại trường Đại học Bordeux 1-<br />
Cộng hòa Pháp và đã có những kết quả khả quan. Ở đây, chúng tôi giới thiệu một<br />
vật liệu quý đó là hạt nano vàng có dạng bán nguyệt [1, 2]- hạt gồm một lớp kim<br />
loại vàng được phủ lên một nửa các hạt nano từ. Từ đó, chúng có cả hai tính chất<br />
lai hóa là tính chất quang (tán xạ Plasmon) và tính chất từ. Điều này cho phép<br />
chúng ta dễ dàng điều khiển (dựa vào tính chất từ) và theo dõi (tính chất quang)<br />
chúng trong môi trường.<br />
Để nghiên cứu động học của chúng, một phương pháp hữu hiệu được tiếp cận là<br />
phương pháp theo dõi một hạt nano duy nhất. Phương pháp này còn rất mới và<br />
hiện nay đang được đặc biệt quan tâm [3]. Phương pháp theo dõi một hạt nano duy<br />
nhất dựa trên những quan sát các quỹ đạo của các hạt. Xác định hệ số khuếch tán<br />
và vận tốc dịch chuyển là hai thông số quan trọng mà chúng tôi quan tâm. Ở đây,<br />
chúng tôi theo dõi sự chuyển động của các hạt nano vàng bán nguyệt trong môi<br />
trường phức hợp có độ nhớt phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ [4] nhờ vào sự tán xạ<br />
ánh sáng của chúng dưới kính hiển vi quang học trường tối với camera CCD nhanh<br />
và nhạy. Vị trí của các hạt nano được xác định thông qua công cụ plug-in de<br />
MOSAIC, từ đó quan sát được quỹ đạo chuyển động của chúng. Bằng cách sử<br />
dụng chương trình Matlab chúng tôi phân tích và tính toán bình phương dịch<br />
<br />
<br />
108 V. X. Hòa, E. Fort, …, “Xác định các thông số… nano vàng bán nguyệt đơn nhất.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
chuyển trung bình được lấy từ số liệu thực nghiệm. Sau đó, làm khớp theo hàm<br />
tuyến tính từ lý thuyết chuyển động Brown hai chiều để xác định hệ số khuếch tán<br />
dịch chuyển [5, 6]. Để nghiên cứu độ linh động của hạt nano vàng bán nguyệt có<br />
kích thước khác nhau chuyển động trong glycerol, chúng tôi tiến hành đo đạc bán<br />
kính thủy động lực học dựa vào lý thuyết liên hệ Stock-Einstein [7]. Sau cùng là<br />
xác định quãng đường dịch chuyển và vận tốc dịch chuyển của từng hạt nano vàng<br />
bán nguyệt tương ứng duy nhất.<br />
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br />
2.1. Cách tiếp cận<br />
Trong nghiên cứu này, cách tiếp cận được sử dụng bởi phương pháp: chuyển<br />
động dịch chuyển Brown. Chúng ta biết rằng khi một quả cầu nhỏ tự do đắm mình<br />
trong một chất lỏng nó sẽ chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (chuyển động<br />
Brown). Các định luật cơ bản của chuyển động dịch chuyển Brown được phát triển<br />
bởi Einstein và sau đó Perrin [8] là người phát triển sâu hơn. Theo lý thuyết, bình<br />
phương dịch chuyển trung bình trong không gian 2 chiều được xác định:<br />
(1)<br />
với , tương ứng là thời gian trôi và hệ số khuếch tán dịch chuyển của hạt.<br />
Trong thực nghiệm, chúng ta dễ dàng đo được giá trị theo:<br />
(2)<br />
ở một nhiệt độ bất kỳ nhờ vào thuật toán của nhóm MOSAIC [6]. Với và<br />
là các tọa độ xác định vị trí tâm của hạt nano tại thời điểm t.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 1. a) Ảnh TEM của các hạt nano lõi từ. b) Ảnh TEM của một hạt nano vàng<br />
bán nguyệt sau khi chế tạo. c) Hình ảnh minh họa một hạt nano vàng bán nguyệt.<br />
2.2. Quá trình theo dõi một hạt nano vàng bán nguyệt duy nhất trong môi<br />
trường glycerol-nước<br />
Trong bài báo này, chúng tôi chỉ ra rằng các hạt nano vàng bán nguyệt bao gồm<br />
một lớp kim loại vàng dày 30 nm được phủ lên một nửa các hạt nano từ (hạt nano<br />
từ bao gồm các hạt nano siêu thuận từ có kích thước cỡ 8 nm được bọc trong mạng<br />
polystyrene (Estapor, Merck Chimie SAS)). Hình 1 thể hiện hình dạng và ảnh kính<br />
hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của một hạt nano vàng bán nguyệt được chế tạo<br />
bằng công nghệ in thạch bản nano cầu (nanosphere lithography technique)<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 109<br />
Vật lý<br />
<br />
[9,10,11]. Công nghệ theo dõi một hạt nano duy nhất là rất lý tưởng cho việc làm<br />
bộc lộ các đặc trưng của từng hạt nano sẽ được sử dụng để xác định sự dịch<br />
chuyển, hệ số khuếch tán hay vận tốc của nó. Phương pháp này không chỉ cho<br />
phép xác định vị trí của một hạt nano hay một phân tử mà còn xác định các tính<br />
chất chuyển động của riêng từng hạt. Kính hiển vi trường tối là ứng cử viên sáng<br />
giá cho quan sát sự tán xạ và hiện ảnh plasmon của hạt nano vàng.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. Cấu hình quang học của kính hiển vi trường tối phản xạ và truyền qua<br />
được sử dụng để quan sát các hạt nano vàng bán nguyệt.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 3. Sơ đồ minh họa quy trình của công nghệ theo dõi một hạt nano duy nhất.<br />
Hình 2 là cấu hình quang học thực nghiệm của kính hiện vi trường tối phản xạ<br />
và truyền qua được sử dụng trong quan sát các hạt nano vàng. Để thuận lợi, chúng<br />
<br />
<br />
110 V. X. Hòa, E. Fort, …, “Xác định các thông số… nano vàng bán nguyệt đơn nhất.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
tôi ghi một video gồm 1000 ảnh nhờ một camera rất nhạy EM-CCD Andor.<br />
Khoảng thời gian giữa 2 ảnh là 0,3 s. Quy trình của công nghệ theo dõi một hạt<br />
nano duy nhất thông thường bao gồm 4 bước (như mô tả hình 3):<br />
a) Ghi một video dưới kính hiển vi trường tối. Video bao gồm 1000 ảnh và<br />
khoảng thời gian giữa 2 ảnh là 0,3 s.<br />
b) Xác định các vị trí tương ứng với mỗi ảnh hiển thị. Một chuỗi các ảnh được<br />
ghi lại bởi camera được phân tích bằng cách sử dụng công cụ plug-in de MOSAIC.<br />
c) Theo dõi sự dịch chuyển các hạt thông qua việc nối lại các đốm sáng đã<br />
được phát hiện.<br />
d) Phân tích kết quả đã thu được.<br />
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br />
3.1. Hệ số khuếch tán dịch chuyển<br />
Để xác định được hệ số khuếch tán dịch chuyển trong một khoảng thời gian<br />
nào đó, chúng tôi đã tiến hành đo đạc và ghi lại các video chuyển động của các hạt<br />
nano vàng bán nguyệt dưới kính hiển vi trường tối. Bằng phương pháp theo dõi<br />
một hạt nano duy nhất, bình phương dịch chuyển trung bình dễ dàng tính được<br />
bằng thực nghiệm theo phương trình (2) nhờ vào tính toán dựa trên phần mềm<br />
Matlab 7.0. Hệ số được suy ra sau khi sử dụng phương trình (1) làm khớp với<br />
giá trị thực nghiệm. Hình 4 (a) chỉ ra kết quả đo đạc bình phương dịch chuyển<br />
trung bình cho một hạt nano vàng duy nhất và quỹ đạo tương ứng được thêm vào<br />
(mầu xanh), và có và cho 20 hạt có ở<br />
hình 4 (b). Chúng ta thấy rằng, đây là các giá trị trung bình của hệ số khuếch tán và<br />
đường khớp lý thuyết phù hợp tốt với các giá trị thực nghiệm ở những khung hình<br />
đầu, do đó khi theo dõi trong thời gian dài thì sự phù hợp giảm đi [6].<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 4. Đo đạc bình phương dịch chuyển trung bình: (a) Cho một hạt nano vàng<br />
duy nhất và quỹ đạo tương ứng được thêm vào (mầu xanh). (b) Cho 20 hạt.<br />
3.2. Xác định bán kính thủy động lực học<br />
Để nghiên cứu độ linh động của các hạt nano vàng bán nguyệt có kích thước<br />
khác nhau, một thông số quan trọng cần phải được tính toán đó là bán kính thủy<br />
động lực học (Rh). Đây là bán kính khi hạt bị đắm chìm trong một chất lỏng và nó<br />
bị một lớp môi trường bao phủ giới hạn xung quanh. Một cách gần đúng coi hạt<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 111<br />
Vật lý<br />
<br />
nano vàng bán nguyệt có dạng xấp xỉ hình cầu, khi đó Rh được xác định từ công<br />
thức liên hệ Stokes-Einstein [7]<br />
(3)<br />
ở đó, kB là hằng số Boltzmann, là hệ số nhớt của môi trường glycerol + nước<br />
và nó được xác định bởi Nian-Sheng Cheng [4]. T là nhiệt độ tuyệt đối, trong báo<br />
cáo này các phép đo được thực hiện ở nhiệt độ 296 K. Kết quả tính Rh được chỉ ra<br />
ở hình 5. Kết quả này cho thấy phù hợp khi chúng tôi đo ảnh TEM.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 5. Thể hiện tính linh động của hạt nano vàng bán nguyệt trong môi trường<br />
hỗn hợp 40 % glycerol và 60 % nước khi kích thước thay đổi. (a) Hệ số khuếch tán<br />
dịch chuyển trung bình phụ thuộc vào kích thước hạt. (b) Quãng đường dịch<br />
chuyển trung bình giảm khi kích thước của hạt tăng và (c) Vận tốc dịch chuyển<br />
trung bình giảm khi kích thước của hạt tăng tương ứng với trường hợp (a) và (b).<br />
3.3. Quãng đường dịch chuyển và vận tốc dịch chuyển<br />
Quãng đường dịch chuyển trong một khoảng thời gian cũng là một thông số<br />
quan trọng cần được quan tâm xem xét. Quãng đường dịch chuyển đó được xác<br />
định từ phương trình:<br />
(4)<br />
với và là tọa độ xác định vị trí khối tâm của hạt nano tại thời điểm t.<br />
Bằng phương pháp theo dõi một hạt nano duy nhất như đã trình bày ở trên,<br />
chúng tôi tìm được kết quả của như thể hiện trong hình 5. Từ kết quả này cho<br />
thấy đối với hạt có kích thước càng lớn thì độ linh động càng giảm trong môi<br />
trường glycerol+nước. Một thông số quan trọng nữa mà chúng tôi quan tâm đó là<br />
vận tốc dịch chuyển của các hạt nano vàng bán nguyệt. Dễ dàng tính toán được từ<br />
phương trình:<br />
(5)<br />
Sự phụ thuộc của và được thể hiện trong hình 5. Kết quả cho thấy, khi<br />
kích thước của hạt tăng thì vận tốc của nó giảm, điều này hoàn toàn phù hợp với lý<br />
thuyết của Brown.<br />
4. KẾT LUẬN<br />
Bằng phương pháp theo dõi một hạt nano duy nhất, chúng tôi đã nghiên cứu<br />
thành công động học của các nano vàng bán nguyệt trong môi trường hỗn hợp<br />
glycerol+nước. Các tham số động học như hệ số khuếch tán dịch chuyển, bán kính<br />
thủy động lực học, quãng đường dịch chuyển và vận tốc dịch chuyển đã được khảo<br />
<br />
<br />
112 V. X. Hòa, E. Fort, …, “Xác định các thông số… nano vàng bán nguyệt đơn nhất.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
sát trên cùng một hạt nano duy nhất. Kết quả cho thấy, hệ số khuếch tán của một<br />
hạt nano vàng bán nguyệt duy nhất bằng và cho 20 hạt có<br />
. Các kết quả này là mới khi được nghiên cứu trên hạt nano<br />
vàng bán nguyệt, nó có thể so sánh với kết quả của nhóm David Lasne khi nghiên<br />
cứu hạt nano vàng có kích thước 5 nm trong tế bào [14]. Với phương pháp này đã<br />
mở ra một hướng mới ứng dụng trong công nghệ sinh học phân tử như; nghiên cứu<br />
động học của các phân tử protein trong màng tế bào hay các phân tử protein tham<br />
gia vào quá trình kháng thuốc của tế bào ung thư [12, 13].<br />
Lời cảm ơn: Các tác giả trân trọng cám ơn phòng thí nghiệm Imagerie Plasmon tại Institut<br />
Langevin ESPCI ParisTech-Cộng hòa Pháp đã tạo điều kiện tốt về trang thiết bị và tài chính cho đề<br />
tài này.<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. Yu Lu et al, “Nanophotonic Crescent Moon Structures with Sharp Edge for<br />
Ultrasensitive Biomolecular Detection by Local Electromagnetic Field<br />
Enhancement Effect”, Nanoletter, Vol. 5, No.1, (2005), pp. 119-124.<br />
[2]. Hoa Xuan Vu et al, “Gold nanocrescents for remotely measuring and<br />
controlling local temperature”, Nanotechnology, Vol. 24, No. 32, (2013), pp.<br />
325501<br />
[3]. Carlo Manzo and Maria F Garcia-Parajo, “A review of progress in single<br />
particle tracking: from methods to biophysical insights”, IOP Pub, Vol. 78,<br />
No.124601(2005), pp.29.<br />
[4]. Nian-Sheng Cheng, “Formula for the Viscosity of a Glycerol-Water Mixture”,<br />
Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 47, No.9, (2008), pp.3285-328.<br />
[5].J. Peidle et al,“Nexpensive microscopy for introductory laboratory courses”,<br />
Am. J. Phys. Vol. 77, No. 931, (2009), pp. 931-938.<br />
[6]. I. F. Sbalzarini and P. Koumoutsakos., “Feature point tracking and trajectory<br />
analysis for video imaging in cell biology”, J. Struct. Biol, Vol.151, No. 2,<br />
(2005),pp. 182–195.<br />
[7]. C. J. Behrend et al, “Brown modulated optical nanoprobes”, App. Phy. Lett,<br />
Vol. 84, No. 1, (2004), pp.154-156.<br />
[8]. Perrin, F. “Étude mathématique du mouvement brownien de rotation”, Ph.D.<br />
thesis, Faculté des sciences de Paris, 1928.<br />
[9]. Liu GL. Et al. “Optofluidic control using photothermal nanoparticles”, Nat.<br />
Mat. Vol. 5, No.11, (2005), pp. 27–32.<br />
[10]. Nikolay A Mirin et al, “Light-Bending Nanoparticles”. Nano Lett. (2009),<br />
Vol.9, No. 3,pp. 1255–1259.<br />
[11]. Yu Zhang, “Orientation-Preserving Transfer andDirectional Light Scattering<br />
from Individual Light-Bending Nanoparticles”. Nano Lett., Vol. 11, (2011),<br />
1838–1844.<br />
[12]. Christian Dietrich et al, “Relationship of Lipid Rafts to Transient<br />
Confinement Zones Detected by Single Particle Tracking”, Biophysical<br />
Journal, Vol. 82, (2002), pp. 274 –284.<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 113<br />
Vật lý<br />
<br />
[13]. Cécile Leduc et al, “Single-molecule imaging in live cell using gold<br />
nanoparticles”, Biophysical Methods in Cell Biology, Vol. 125, (2015), pp.<br />
13–27.<br />
[14]. Lasne D et al, “Single nanoparticle photothermal tracking (SNaPT) of 5-nm<br />
gold beads in live cells”, Biophys J, Vol. 12, (2006), pp. 4598-604<br />
ABSTRACT<br />
DETERMINATION OF THE DYNAMIC PARAMETERS OF AN INDIVIDUAL<br />
GOLD NANOCRESCENT<br />
The ability to measuring and determining the dynamics of nanoparticles<br />
(or molecular) within a medium is of great value in many applications in<br />
various fields, especially bio-medicine. However, measuring the dynamics<br />
parameters of an individual nanoparticle simultaneously, remotely is a<br />
challenge.<br />
In this report, the dynamics of the gold nanocrescents in the glycerol-<br />
water mixture medium (40 % glycerol and 60 % water) is studied. Thank to<br />
new technique: single gold particle tracking Brownian motion in a liquid, we<br />
can determine the translational diffusion coefficient ( ) and the velocity (v)<br />
at a temperature. The experimental results were measured on modern<br />
devices such as dark-field microscope and rapid and sensitive CCD camera,<br />
therefore it is high accuracy.<br />
Key word: Gold nanocrescents, Brownian motion, Diffusion coefficient.<br />
<br />
Nhận bài ngày 05 tháng 09 năm 2016<br />
Hoàn thiện ngày 31 tháng 12 năm 2016<br />
Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 02 năm 2017<br />
<br />
Địa chỉ: 1Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên, Phường Tân Thịnh, TP. Thái Nguyên;<br />
2<br />
Phòng thí nghiệm Imagerie Plasmon-Viện Langevin ESPCI-ParisTech,<br />
số 1 phố Jussieu- Paris- Pháp;<br />
*<br />
Email: hoavx@tnus.edu.vn.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
114 V. X. Hòa, E. Fort, …, “Xác định các thông số… nano vàng bán nguyệt đơn nhất.”<br />