ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Cao Văn Vượng KHẢO SÁT CẤU TRÚC HẠT NANO VÀNG ỨNG DỤNG CỚ ĐỊNH PHÂN TỬ SINH HỌC KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật HÀ NỘI - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Cao Văn Vượng KHẢO SÁT CẤU TRÚC HẠT NANO VÀNG ỨNG DỤNG CỚ ĐỊNH PHÂN TỬ SINH HỌC KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Kiên Cường HÀ NỘI - 2011 Tóm tắt nội dung Tìm hiểu tính chất chung của các hạt nano kim loại và sâu tìm hiểu hạt nano vàng Nghiên cứu ứng dụng của hạt nano vàng công nghệ sinh học, y học, đặc biệt là ứng dụng cố định phân tử sinh học với khả làm chip sinh học, cảm biến sinh học Trên sở nghiên cứu về hạt nano vàng, tiến hành thực nghiệm khảo sát sản phẩm là hạt nano vàng bọc polymer gắn nhóm chức COOH Sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại là Transmission electron microscopy, Fourier transform Infrared spectroscopy , Raman spectroscopy để đánh giá nhóm chức gắn lên hạt vàng đã được chế tạo Xác định vật liệu chế tạo là hạt nano vàng có gắn nhóm chức COOH Từ đó có thể tiếp tục nghiên cứu bước tiếp theo gắn kháng thể hay protein, phân tử sinh học lên nhóm chức COOH LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận − sinh viên Cao Văn Vượng, khoa Vật lý Kỹ thuật Công nghệ nanô, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội hoàn thành hướng dẫn TS Nguyễn Kiên Cương Nội dung khóa luận không chép các tài liệu, công trình nghiên cứu của người khác mà không chỉ rõ tài liệu tham khảo Hà Nội, ngày 23 tháng năm 2011 Cao Văn Vượng Lời cảm ơn Đầu tiên, với tất lòng biết ơn kính trọng, em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn TS Nguyễn Kiên Cường Thầy tận tình hướng dẫn phương pháp làm việc, giúp đỡ cho em học kinh nghiệm quý giá suốt thời gian học tập thực khóa luận Tiếp theo em xin bày tỏ lòng biết ơn các cán bộ nhóm nghiên cứu đã chế tạo và cho mẫu thí nghiệm - hạt nano vàng bọc polymer gắn nhóm chức Đặc biệt cảm ơn đến PGS.TS Trần Hồng Nhung, TS Nghiêm Thị Hà Liên Xin cảm ơn đến những cán bộ nghiên cứu tại phòng công nghệ nano, phòng nano từ tính, phòng nano sinh học Những người em đã được gặp và học hỏi kiến thức, vận hành máy móc, thao tác thực hành quá trình học tập tại trường, nghiên cứu khoa học và thời gian thực hiện khóa luận Cuối cùng em xin được cảm ơn tới gia đình và bạn bè Những người ở bên cạnh và là nguồn động viên tinh thần giúp em hoàn thành khóa luận Danh mục từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt FT-IR Fourier Transform Infrared Spectroscopy Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier TEM Transmission electron microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua Mục lục Cao Văn Vượng HÀ NỘI - 2011 Cao Văn Vượng HÀ NỘI - 2011 MỞ ĐẦU Cuộc sống của người ngày càng phát triển, người mong muốn sống khỏe mạnh và sống lâu Nhưng sự phát triển của đời sống cũng kéo theo nhiều loài bệnh trước Y học cũng có những bước tiến vượt bậc việc điều trị và chữa bệnh Công nghệ nano tạo những sản phẩm làm lên những bước tiến đó Trong loại vật liệu nano nay, hạt nano vàng loại vật liệu nano nghiên cứu rộng rãi Các hạt nano vàng gắn với phân tử sinh học, trở thành sản phẩm với nhiều ứng dụng lĩnh vực y học, chẩn đoán điều trị tế bào ung thư, đặc biệt công nghệ chế tạo loại que thử chẩn đoán nhanh loại bệnh truyền nhiễm Bước bản để chế tạo que thử là tạo liên kết giữa phần tử sinh học và hạt nano vàng Trong khóa luận nghiên cứu và khảo sát hạt nano vàng gắn nhóm chức COOH Hạt đã chế tạo được khảo sát bằng các phương pháp phân tích TEM, Fourier transform Infrared spectroscopy , Raman spectroscopy để xác định liên kết cũng sự có mặt của COOH với hạt nano vàng Chương : Tổng quan lý thuyết 1.1 Hạt nano kim loại Hạt nano kim loại là khái niệm để chỉ các hạt có kích thước nano làm từ kim loại Các hạt nano kim loại có kích thước chiều dao động khoảng 1- 100 nm Từ hàng nghìn năm trước, người chưa biết về khoa học vật liệu nano, các hạt nano kim loại hạt nano vàng, nano bạc sử dụng Nổi tiếng nói đến cốc Lycurgus người La Mã chế tạo vào khoảng kỉ thứ tư trước Công nguyên trưng bày Bảo tàng Anh [21] Hình 1.1 Những cốc Lycurgus (Roman ~ 400 AD, Myth of King Lycurgus) làm thủy tinh có pha thêm hạt nano vàng bạc Chiếc cốc này đổi màu phụ thuộc vào cách người ta nhìn Nó có màu đỏ (Hình 1.1 c) nhìn ánh sáng từ cốc xuyên qua thành cốc và có màu xanh lục nhìn ánh sáng phản xạ cốc(Hình 1.1 b) Phân tích chiếc cớc Lycurgus cho thấy cốc có chứ a hạt nano vàng bạc có kích thước 70 nm (Hình 1.1.a) với tỉ phần mol 14:1 Hiện tượng thay đổi màu sắc hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt Chỉ có hạt nano kim loại, điện tử tự có khả hấp thụ vùng ánh sáng khả kiến làm cho chúng có tượng quang học Thiết thực tính chất là hạt nano bạc biết đến c ó khả diệt khuẩn Hàng ngàn năm trước người ta đã thấy sữa để bình bạc bảo quản lâu Ngày người biết bạc tác động lên enzym liên quan đến q trình hơ hấp sinh vật đơn bào và có nhiều nghiên cứu để ứng dụng tác động diệt khuẩn của hạt nano bạc Ở kích thước nano thì hạt kim loại có những tính chất đặc biệt và rất khác biệt so với chúng ở dạng khối cùng loại ngun tớ các tính chất điện, tính chất quang, tính chất cơ, tính chất nhiệt, tính chất từ và cả cấu trúc Những tính chất đặc biết đó bắt nguồn từ hiện tượng bản để giải thích đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước 1.1.1 Hiệu ứng bề mặt Hiệu ứng bề măt là hiệu ứng liên quan đến các nguyên tử bề mặt của vật liệu Các nguyên tử bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất nguyên tử bên lòng vật liệu Tỉ số số nguyên tử bề mặt tổng số nguyên tử vật liệu gia tăng vật liệu có kích thước nhỏ dẫn đến hiệu ứng bề mặt tăng Ví dụ, xét vật liệu tạo thành từ hạt nano hình cầu Nếu coi số nguyên tử ở bề mặt là ns và tổng số nguyên tử là n ta có phương trình liên hệ giữa chúng ns = 4n2/3 Rút được tỉ số số nguyên tử bề mặt tổng số nguyên tử f = ns/n = (4n2/3)/n = 4/(n1/3) = 4r0/r, với r0 bán kính nguyên tử r bán kính hạt nano Như vậy, kích thước vật liệu giảm tức r giảm tỉ số f tăng lên Khi kích thước vật liệu giảm hiệu ứng có liên quan đến nguyên tử bề mặt - hiệu ứng bề mặt tăng lên tỉ số f tăng Khi kích thước vật liệu giảm đến nm giá trị f sẽ tăng lên đáng kể Mộ t nhữ ng hiệ u ứ n g bề mặ t đó là hiệ u ứ ng cộ ng hưở ng plasmon bề mặ t đã đượ c nhắ c đế n nó i về chiế c cố c Lycurgus Hình 1.2 Sơ đồ một hiệu ứng plasmon Thực hiện đo phổ hồng ngoại cho mẫu hạt vàng đã bọc polymer có gắn nhóm chức COOH hay Au-S-PEG-COOH và mẫu polymer được dùng để gắn lên hạt nano vàng là polymer đa chức H-S-PEG-COOH Hình 2.5 Hệ máy đo FTIR 2.2.3 Phổ Raman Với phép đo phổ hồng ngoại ta không phát hiện được các liên kết giữa các nguyên tố cùng loại liên kết C-C mạch carbon của polymer Phép đo Raman cho ta biết được liên kết này Do vậy việc đo phổ Raman sẽ có thêm thông tin chính xác về cấu trúc của hạt nano vàng bọc polymer gắn nhóm chức Nguyên lý tán xạ Raman là tán xạ không đàn hồi giữa photon và một lượng tử dao động của vật chất hay mạng tinh thể Sau quá trình va chạm, lượng của photon giảm hoặc tăng lên một lượng bằng dao động của nguyên tử Dựa vào phổ lượng tính được dao động nguyên tử đó Dao động nguyên tử là đại lượng đặc trưng có thể dùng phân biệt giữa nguyên tử này và nguyên tử khác Phổ Raman cung cấp thông tin tần số dao động Trong quang phổ Raman, mẫu chiếu xạ chùm laser cường độ mạnh vùng tử ngoại-khả kiến (ν0) chùm ánh sáng tán xạ thường quan sát theo phương vng góc với chùm tia tới Ánh sáng tán xạ bao gồm hai loại: gọi tán xạ Rayleigh, mạnh có tần số giống với tần số chùm tia tới (ν0), loại lại gọi tán xạ Raman-tán xạ khơng đàn hời, yếu có tần số ν0 ± νm νm tần số dao động phân tử Vạch ν0 - νm gọi vạch Stockes vạch ν0 + νm gọi vạch anti Stockes Do đó, quang phổ Raman, đo tần số dao động νm dịch chuyển so với tần số chùm tia tới ν0 Khác với phổ hồng ngoại, phổ Raman đo vùng tử 22 ngoại khả kiến vạch kích thích (laser) vạch Raman xuất Hình 2.6 Sơ đồ quang phổ Raman Thực nghiệm Quá trình thực nghiệm đo Raman thực hiện bởi máy đo Invia Raman Microscope (Hãng Renishan) tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội Máy có công śt 10mw, đợ phân giải 1cm-1 Hình 2.7 : Máy đo phổ Raman 23 Chương : Kết quả và thảo luận 3.1 Kích thước và phân bố hạt Chụp TEM sử dụng chùm điện tử được tăng tốc ở thế 80kV bắn lên bề mặt mẫu được kết quả dưới : Hình 3.1 Au-S-PEG-COOH chụp TEM Ảnh phóng đại 100 000 lần Hình ảnh là sự phân bố khá đồng đều của các hạt hình cầu kích thước tương đối bằng Những hình cầu này là trạng thái cực tiểu hóa bề mặt của các hạt nano vàng AuS-PEG-COOH ở dung dịch Nhóm chức COOH- được gắn lên hạt nano vàng thông qua liên kết giữa Au bọc citrate với S Nhóm chức này lớp vỏ bọc giữa các 24 hạt nano vàng ngăn chặn sự kết đám của hạt nano vàng đưa tới sự hòa tan rất tốt của hạt nano vàng dung dịch Đo kích thước hạt ảnh TEM bằng phần mềm ImageJ và lập được đồ thì sau : Hình 3.2 Đồ thị mật độ hạt theo kích thước Kích thước các hạt vàng bọc polymer gắn nhóm chức dải từ 12 nm đến 17 nm Các hạt nano vàng bọc polymer gắn nhóm chức kích thước 15 ± (nm) chiếm 86% tổng số hạt Tính được kích thước trung bình của hạt xấp xỉ 15nm So sánh kích thước hạt vàng bọc polymer với hạt vàng có được sau khí chế tạo bằng phương pháp Turkevich có kích thước 15.8 ± 3.8 (nm) thấy rằng phù hợp Kích thước trung bình của hạt vàng đã gắn nhóm chức và hạt vàng được chế tạo bằng phương pháp Turkevich gần băng vì bọc polymer gắn nhóm chức COOH lên hạt nano vàng thì kích thước hạt không thay đổi nhiều Kích thước hạt nano vàng bọc polymer gắn nhóm chức dao động ít, chủ yếu là 14nm đến 16nm là mẫu dung dịch trước phân tích đã được ly tâm loại bỏ citrate vì vậy mà lọc những hạt có kích thước đồng đều Khoảng cách các hạt đồng đều, cố định các phân tử sinh học sẽ dễ dàng ghép cặp kháng nguyên và khàng thể Đây là ưu điểm để dễ dàng gắn 1-1 với các nhóm chức, phân tử sinh học hay các ADN 25 Hình 3.3 Au-S-PEG-COOH chụp TEM Ảnh phóng đại 20 000 lần Với ảnh có độ phóng đại nhỏ hơn, xem mẫu với diện tích rộng hơn, vẫn thấy rằng sự phân bố các hạt là khá đồng đều 3.2 Xác định liên kết bằng phổ hồng ngoại Để phân tích kết quả phổ hồng ngoại ta sử dụng bảng dưới : 26 Bảng 3.1 Bảng tra cứu phổ hồng ngoại [7] 27 C=O H-S Wavenumber (cm-1) _ HS-PEG-COOH _ PEG 5000 4000 3200 2400 1800 1400 1000 600 205 Wavenumber (cm-1) Hình 3.4 Phổ hồng ngoại của H-S-PEG-COOH và PEG 5000 Phổ hồng ngoại của polymer HS-PEG-COOH được ghép với phổ chuẩn của PEG 5000 monomethyl ether CH3O(CH2-CH2-O)nH để so sánh Nhìn vào công thức phân tử thấy rằng ở polymer dùng để bọc lên vàng có một đầu là HS một đầu là COOH còn PEG 5000 không có nhóm này 28 Phổ của HS-PEG-COOH đường màu xanh ở bên Phổ chuẩn PEG 5000 monomethyl ether đường màu đen ở dưới So sánh phổ khác từ 2600 cm-1 đến 1650 cm-1 , đưa phổ của HS-PEGCOOH khoảng này hình Phân tích phổ kết hợp với bảng hình 3.4 có đỉnh 2519 cm-1 là đỉnh của liên kết H-S Đỉnh 1734 cm -1 là đỉnh của liên kết C=O Do thành phần của HS-PEG-COOH thì số chuỗi -(CH 2- CH2-O)- là 74, tương đối dài Trong đó so sánh thành phần thì H-S- và –COOH chiếm thành phần rất ít mẫu vì thế mà phổ các đỉnh của chúng phải tách mới thấy được Dưới là phổ hồng ngoại của mẫu hạt nano vàng gắn nhóm chức : 1297 1263 C=O 1744 1680 1947 566 O-H 3512 4000 813 2904 3200 2400 1800 1400 1000 600 Wavenumber (cm-1) Hình 3.5 Phổ hồng ngoại của Au-S-PEG-COOH Quan sát phổ lần lượt các đỉnh từ trái qua phải kết hợp với bảng 3.1 có: Đỉnh 3512 cm-1 là đỉnh của liên kết O-H Đỉnh 2904 cm-1 là đỉnh của liên kết CH2 Đỉnh 1947 cm-1 là đỉnh của liên kết C-O Đỉnh 1744 cm-1 là đỉnh của liên kết C=O, đỉnh 1680 cũng là liên kết C=O biến dạng kéo căng Đỉnh 1297 cm-1 là đỉnh của liên kết C-H Đỉnh 1263 cm-1 là đỉnh của liên kết C=O 29 Đỉnh 813 cm-1 là đỉnh liên kết C-H biến dạng, đỉnh 566 cm -1 cũng là đỉnh liên kết C-H Như vậy có các liên kết C=O, C-O, O-H khẳng định được nhóm chức COOH có mẫu Liên kết CH2 , CH thể hiện cho mạch ankyl polymer của PEG Phổ không xuất hiện đỉnh của liên kết S-H Đồng thời phản ứng tạo liên kết giữa nhóm chức - COOH và hạt nano vàng So sánh phổ hồng ngoại của HS-PEG-COOH và Au-S-PEG-COOH xác định được phổ của Au-S-PEG-COOH không có đỉnh của liên kết S-H Liên kết S-H đã mất Như vậy sau chế tạo hạt nano vàng và thực hiện bọc polymer HS-PEGCOOH lên hạt nano vàng thì phản ứng đã xảy làm mất liên kết S-H đồng nghĩa với việc nhóm chức COOH được đưa lên bề mặt hạt vàng bằng liên kết hóa học theo phản ứng bọc hạt nano vàng 4000 3200 2400 1800 1400 1000 600 Wavenumber (cm-1) Hình 3.6 So sánh phổ hồng ngoài của Au-S-PEG-COOH và H-S-PEG-COOH Trên hình 3.6 nhìn thấy rõ đỉnh liên kết CH của Au-S-PEG-COOH mở rộng đỉnh liên kết CH2 của H-S-PEG-COOH có độ bán rộng phổ hẹp và cường độ 30 đỉnh mạnh Điều này có thể giải thích ái lực tác động lên mạch ankyle CH khác nhóm ankyle chịu tác động từ hạt nano vàng ở Au-S-PEG-COOH còn H-SPEG-COOH chỉ là một nguyên tử hydro Sự khác về ái lực tác động lên các liên kết cũng làm cho các đỉnh cùng một liên kết của hai phổ tại các số sóng(wavernumber) khác hay dịch đỉnh 3.2 Xác định liên kết bằng phổ Raman Phân tích kết quả đo phổ Raman sử dụng bảng dưới : Bảng 3.2 Bảng tra cứu phổ Raman [18] 31 3386 O-H 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Raman shift (cm-1) Hình 3.8 Phổ Raman của Au-S-PEG-COOH Phổ Raman của Au-S-PEG-COOH xuất hiện đỉnh là đỉnh 3386 cm -1 tra cứu với bảng 3.8 thì đỉnh này thể hiện liên kết O-H Phần còn lại của phổ xuất hiện thêm vài đỉnh bị nhiễu không đánh giá được Nhiễu này có thể mẫu đo dung dịch đo được pha thêm nước cất và nhiễu quá trình đo mà khả của máy không đo chính xác được Cũng việc pha thêm nước cất mà đỉnh OH xuất hiện phổ không kết luận được là của nhóm COOH vì nước cũng có nhóm OH 32 Kết luận Khóa luận đạt được kết quả sau : Xác định được phân bố của hạt nano vàng gắn nhóm chức dung dich khá đồng đều – hat vàng phân tán tốt nước, kích thước hạt trung bình cỡ 15nm bằng phương pháp hiển vi điện tử truyền qua Xác định hạt nano vàng đã được gắn nhóm chức COOH bằng polymer HS-PEGCOOH với phương pháp đo phổ hồng ngoại FTIR Tiếp tục hướng nghiên cứu sẽ thực hiện các phép đo định tính, định lượng có độ chính xác cao với việc nghiên cứu chế tạo hạt nano vàng ứng dụng y sinh học – gắn phần tử sinh học lên vàng qua nhóm chức COOH 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt [1] Nguyễn Thị Tuyến, Nghiên cứu chế tạo và chức hóa hạt nano vàng định hướng ứng dụng sinh học, Luận văn thạc sỹ, Viện Vật lý Viện khoa học và công nghệ Việt Nam, tr 40-45 Tài liệu tiếng anh [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] J P Abid et al., Chem Commun, 792, 2002 Alivisatos AP, Semiconductor Clusters, Nanocrystals, and Quantum Dots, Science, 271, 1996, pp.933-937 M Brust, M Walker, D Bethell, D J Schiffrin, R Whyman, “Synthesis of Thiol-derivatised Gold Nanoparticles in a Two-phase Liquid-Liquid System”, Chem Commun, 801, 1994 J.P Debouttiere, et al., Adv Func Mater 16, 2330, 2006 D Kim et al., Nanotechnology, 17, 4019, 2006 Francis Rouessac and Annick Rouessac, Chemical Analysis, John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO 19 8SQ, England, 2007 Kottmann, J.P Martin, O J F Smith, D R Schultz, B, Physical Review, 64, 2001, pp 402 M Kowshik et al., Nanotechnology, 14, 95, 2003 Kress-Rogers, E Phil, "Handbook of biosensors and electronic noses Medicine, food and the environment", pp 149-168 F Mafune et al, J Phys Chem, 14, 8333, 2000 M.N Martin, J.I Basham, P Chando, S.K Eah, "Charged gold nanoparticles in non-polar solvents: 10-min synthesis and 2D selfassembly", Langmuir 26, 2010, pp 7410 Murday, J S AMPTIAC Newsletter, 6, 5, 2002 Niemeyer CM, "Nanoparticles, Proteins, and Nucleic Acids: Biotechnology Meets Materials", Science Chem Int Ed 40, 2001, pp 4128-4158 Olofsson L, R.T Pfeiffer I, Kall M, and Hook F, "Surface-Based Gold Nanoparticle Sensor for Specific and Quantitative DNA Hybridization Detection", Langmuir 19, 2003, pp.10414-10419 S.D Perrault, W.C.W Chan, "Synthesis and Surface Modification of Highly Monodispersed, Spherical Gold Nanoparticles of 50-200 nm", J Am Chem Soc 131, 2009, pp 17042 34 [17] Sperling, R.A., P Rivera Gil, F Zhang, M Zanella, and W.J Parak, "Biological applications of gold nanoparticles", Chemical Society Reviews37, 2008, pp 1896-1908 [18] Richard L.Mc Creery,Raman spectroscopy for chemical analysis, John Wiley& Sons Ltd, Englad, 2007 [19] J Turkevich, P.C.S., J Hillier, "A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold", Discuss Faraday Soc 11, 1951, pp 55-75.1951 [20] J Zhu et al., Langmuire 16, 6396, 2000 Trang web [21] http://www.thebritishmuseum.ac.uk/science/text/lycurgus/srlycurgus-p1- t.html 35 ... của các hạt nano kim loại và sâu tìm hiểu hạt nano vàng Nghiên cứu ứng dụng của hạt nano vàng công nghệ sinh học, y học, đặc biệt là ứng dụng cố định phân tử sinh học với... giữa phần tử sinh học và hạt nano vàng Trong khóa luận nghiên cứu và khảo sát hạt nano vàng gắn nhóm chức COOH Hạt đã chế tạo được khảo sát bằng các phương pháp phân tích... HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Cao Văn Vượng KHẢO SÁT CẤU TRÚC HẠT NANO VÀNG ỨNG DỤNG CỚ ĐỊNH PHÂN TỬ SINH HỌC KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý