2007/12/06

Hat nano trong sinh hoc va moi truong

Ứng dỤng cỦa hẠt nano ôxít sẮt tỪ đỂ tách chiẾt DNA, ĐẾM tẾ bào bẠch cẦu, và cẢi tiẾn quá trình xỬ lí nưỚc NHIỄM BẨN

Nguyễn Hoàng Hải1, Nguyễn Châu1, Nguyễn Hoàng Lương1,
Nguyễn Thị Vân Anh2, Phan Tuấn Nghĩa2, Mai Anh Tuấn3

1 Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật lí, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

334 Nguyễn Trãi, Hà Nội; E-mail: nhhai@vnu.edu.vn

2 Trung tâm Khoa học Sự sống, Khoa Sinh học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

3 Viện Quốc tế Đào tạo về Khoa học Vật liệu (ITIMS), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


TÓM TẮT

Hạt nano ôxít sắt từ có kích thước dưới 15 nm được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa được ứng dụng để: - làm giàu DNA dùng trong xác định nhanh virus bằng cảm biến sinh học; - lọc lựa tế bào để cải tiến phương pháp xác định số lượng tế bào bạch cầu CD4+ T; - gia tăng quá trình lắng đọng chất thải rắn và hấp phụ thạch tín trong nước. Hạt nano được chức năng hóa bề mặt để làm giàu DNA của virus Herpes lên hàng trăm lần làm gia tăng khả năng đo nồng độ DNA của cảm biến sinh học xuống đến thang đo nhỏ hơn nM/l. Sau khi chức năng hóa, hạt nano được bọc bằng kháng thể phát huỳnh quang antiCD4 và được dùng để đếm tế bào bạch cầu CD4+ T. Cường độ huỳnh quang của tế bào CD4+ T gắn với các hạt nano cao gấp 2,6 lần so với trường hợp chỉ dùng kháng thể huỳnh quang thông thường. Nghiên cứu này có thể được ứng dụng để điều trị bệnh nhân nhiễm HIV chỉ với một kính hiển vi huỳnh quang đơn giản. Hạt nano và phèn chua giúp quá trình lắng đọng chất rắn trong nước lên hàng chục lần và hấp thụ thạch tín. Với một lượng nhỏ hạt nano (0,25 g/l) có thể làm giảm nồng độ Asen từ 0,1 mg/l xuống thấp hơn tiêu chuẩn cho phép 0,01 mg/l của nước uống chỉ sau vài phút.

Từ khoá: Lí sinh học, hạt nano từ tính, phân tách DNA, phân tách tế bào, vật liệu nano

VẬT LIỆU NANO

Khoa học và công nghệ nano đang đi vào cuộc sống với tốc độ ngày càng nhanh là nhờ những tính chất đặc biệt của vật liệu nano. Các đặc tính của vật liệu nano có thể được chia thành hai loại: các đặc tính có liên quan đến hiệu ứng bề mặt và các hiệu ứng có liên quan đến kích thước. Hiệu ứng bề mặt có thể xảy ra ở bất kì kích thước nào, tuy nhiên, tại kích thước nano thì hiệu ứng bề mặt trở nên đáng kể. Hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm [1, 2]. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lí đã biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột.

VẬT LIỆU NANO Ô XÍT SẮT TỪ TÍNH VÀ ỨNG DỤNG TRONG SINH HỌC, MÔI TRƯỜNG

Đối với vật liệu từ, ngoài các tính chất “nội” đặc trưng cho từng loại vật liệu cụ thể như từ độ bão hòa Ms, dị hường từ tinh thể, cấu trúc tinh thể, các tính chất ngoại như hình dạng và kích thước tinh thể, sự sắp xếp của các tinh thể trong vật liệu cũng ảnh hưởng đáng kể đến tính chất từ. Hiệu ứng kích thước nói ở phần trên xảy ra đối với vật liệu từ tính khi mà kích thước của vật liệu nhỏ hơn kích thước đặc trưng. Với vật liệu từ, kích thước đặc trưng là độ dày vách đô men, độ dài tương tác trao đổi, quãng đường tán xạ spin của điện tử, giới hạn siêu thuận từ. Giải Nobel về vật lí năm 2007 vừa được công bố trao cho hai nhà khoa học châu Âu là Albert Fert (Pháp) và Peter Grunberg (Đức) [3] vì khám phá hiệu ứng từ điện trở khổng lồ. Ứng dụng của hiệu ứng này là các đầu đọc các ổ cứng với dung lượng rất lớn có mặt trong các máy tính ngày nay. Đây là một ví dụ điển hình về đặc tính của vật liệu nano khi mà kích thước của vật liệu nhỏ hơn quãng đường tán xạ spin của điện tử. Vật liệu ứng dụng trong sinh học yêu cầu vật liệu nano thường ở dạng hạt và phải có tính siêu thuận từ. Giới hạn siêu thuận từ phụ thuộc vào từ độ bão hòa và dị hướng từ tinh thể, trong đa số trường hợp giới hạn này từ 5 – 30 nm [4]. Vật liệu siêu thuận từ có giá trị từ độ tương đối cao và bị từ hóa mạnh dưới tác dụng của từ trường ngoài và bị khử từ hoàn toàn khi không có từ trường ngoài tác dụng (không có từ dư). Hai yếu tố trên là cần thiết đối với các ứng dụng y sinh để tránh sự kết tụ của các hạt từ trong cơ thể. Ngoài ra, độc tính, độ tương hợp sinh học (biocompatible), tính đồng nhất của kích thước hạt, ổn định trong môi trường khác nhau cũng là những vấn đề cần vượt qua [5]. Vật liệu ô xít sắt là loại vật liệu được ứng dụng nhiều nhất vì nó thỏa mãn hầu hết các yêu cầu nói trên. Trong các ô xít sắt thì magnetite Fe3O4, (Ms = 90 emu/g) maghemite g-Fe2O3 (Ms = 60 emu/g) được sử dụng nhiều nhất. Các ứng dụng của hạt nano từ tính trong sinh học bao gồm phân tách và chọn lọc tế bào, dẫn thuốc đến đích nhờ từ trường, nung nóng cục bộ nhờ từ trường ngoài xay chiều, tác nhân tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ hạt nhân. Chúng tôi quan tâm đến hai ứng dụng đầu tiên nên phần sau sẽ điểm qua tình hình nghiên cứu của phân tách và chọn lọc tế bào, dẫn thuốc đến đích nhờ từ trường.

Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh học nào đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác [5]. Phân tách tế bào sử dụng các hạt nanô từ tính là một trong những phương pháp được sử dụng. Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thể sinh học cần nghiên cứu và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường. Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nano từ tính. Hạt nano thường dùng là hạt ô-xít sắt. Các hạt này được bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA), phosopholipids,... Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nano phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ. Giống như trong hệ miễn dịch, vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thể hoặc các phân tử khác như các hoóc-môn, a-xít folic tìm thấy. Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng nguyên. Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi [6].

Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặc hiệu. Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các tế bào mạnh khỏe bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc. Chính vì thế việc dùng các hạt từ tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư) đã được nghiên cứu từ những năm 1970 [6], những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính. Ứng dụng này mang lại hai lợi ích cơ bản: - thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc; - giảm lượng thuốc điều trị. Hạt nanô từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị. Lúc này hạt nanô có tác dụng như một hạt mang. Thông thường hệ thuốc/hạt mang tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể. Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt độ. Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự như trong phân tách tế bào. Gradient từ trường có tác dụng tập trung hệ thuốc/hạt. Hiệu quả của việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường, gradient từ trường, thể tích và tính chất từ của hạt nanô. Các chất mang thường đi vào các tĩnh mạnh hoặc động mạch nên các thông số thủy lực như thông lượng máu, nồng độ hạt nano từ, thời gian tuần hoàn đóng vai trò quan trọng như các thống số sinh lý học như khoảng cách từ vị trí của thuốc đến nguồn từ trường, mức độ liên kết thuốc/hạt mang, và thể tích của khối u. Các hạt có kích thước mm (tạo thành từ những hạt siêu thuận từ có kích thước nhỏ hơn) hoạt động hiệu quả hơn trong hệ thống tuần hoàn đặc biệt là ở các mạch máu lớn và các động mạch. Nguồn từ trường thường là nam châm NdFeB có thể tạo ra một từ trường khoảng 0,2 T và gradient từ trường khoảng 8 T/m với động mạch đùi và khoảng 100 T/m với động mạch cổ [6]. Điều này cho thấy quá trình dẫn thuốc bằng hạt nanô từ tính có hiệu quả ở những vùng máu chảy chậm và gần nguồn từ trường. Tuy nhiên, khi các hạt nanô chuyển động ở gần thành mạch máu thì chuyển động của chúng không tuân theo định luật Stoke nên với một gradient từ trường nhỏ hơn quá trình dẫn thuốc vẫn có tác dụng. Các hạt nanô từ tính thường dùng là ôxít sắt (magnetite Fe3O4, maghemite g-Fe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như PVA, dextran hoặc silica. Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt để có thể liên kết với các phân tử khác như nhóm chức amino, carboxyl, streptavidin, biotin,...

Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật lí, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã triển khai nghiên cứu ứng dụng hạt nano từ tính trong y sinh học và môi trường trong thời gian khoảng hai năm trở lại đây và đã thu được một số kết quả về việc bao bọc và dung giải thuốc kháng sinh bằng hạt nano từ tính Fe3O4 [7, 8]. Hạt nano từ tính Fe3O4 được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa với kích thước 10 nm – 20 nm được chức năng hóa bằng một lớp kép gồm hai chất hai chất hoạt hóa bề mặt là oleic acid và sodium dodecyl sulfate. Khoảng giữa hai lớp phân tử trên bề mặt có tính thân dầu là nơi trú ngụ của các phân tử thuốc kháng sinh kị nước chloramphenicol. Chúng tôi đã thành công trong việc mang thuốc trên bề mặt hạt nano từ tính với hiệu suất nạp thuốc đạt hơn 3 % khối lượng. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình dung giải thuốc kháng sinh lên vi khuẩn Escherichia coli (chủng DH 5a) cho thấy thuốc được dung giải nhiều nhất sau 14 giờ, ảnh hưởng kháng khuẩn của thuốc tăng 1,5 lần so với thuốc đối chứng không được mang bởi hạt nano. Kết quả cho thấy thuốc kháng sinh được mang bởi hạt nano từ tính không những có thể được điều khiển bằng từ trường ngoài mà còn kéo dài thời gian tác dụng kháng sinh nhờ lớp chất hoạt hóa bề mặt bảo vệ thuốc khỏi biến tính trong môi trường nước.

Trong bài báo này, chúng tôi tiếp tục công bố những nghiên cứu mới nhất của chúng tôi về sử dụng hạt nano từ tính để làm giàu DNA dùng trong xác định nhanh virus bằng cảm biến sinh học, lọc lựa tế bào để cải tiến phương pháp xác định số lượng tế bào bạch cầu T trong điều trị bệnh nhiễm HIV. Ngoài ra, hạt nano còn được sử dụng để gia tăng quá trình lắng đọng chất thải rắn và hấp phụ Asen trong nước.

CHẾ TẠO, CHỨC NĂNG HÓA BỀ MẶT

Hạt nano từ tính có kích thước 10 nm – 15 nm được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa ion Fe3+ và Fe2+ bằng OH- tại nhiệt độ phòng trong môi trường khí N2 để tránh ô xi hóa. Lấy 4,17 g FeCl3.6H2O và 1.52 g FeCl2.4H2O (tức là tỉ phần mol Fe3+/Fe2+ = 2) hòa trong 80 ml nước cất hai lần (nồng độ của Fe2+ là 0.1 M) bằng máy khuấy từ. Nhỏ dung dịch này vào một dung dịch khác có chứa 6 ml NH4OH 35% với tốc độ nhỏ 1 một giọt/giây tại nhiệt độ phòng dưới điều kiện khuấy đều bằng máy khuấy từ. Kết tủa Fe3O4 màu đen được hình thành ngay khi hai dung dịch tiếp xúc với nhau. Độ lớn kích thước hạt nano có thể được điều khiển bằng tốc độ khuấy, nhiệt độ phản ứng, pH của dung dịch và nồng độ chất tham gia phản ứng. Tách lọc hạt nano từ tính bằng từ trường hoặc máy li tâm, lọc rửa sản phẩm 5 lần bằng nước để loại bỏ các hóa chất còn dư ta thu được các hạt nano từ tính tương đối đồng nhất Fe3O4 với kích thước trung bình 12 nm ± 5 nm [9]. Các kết quả nhiễu xạ tia X cho thấy khoảng 95 % số hạt có Text Box:   Hình 1. Chức năng hóa bề mặt hạt nano Fe3O4 từ tính bằng nhóm amino (Amino-NP) sử dụng APTS.cấu trúc Fe3O4, khoảng 5 % số hạt có cấu trúc g-Fe2O3 và không xuất hiện các pha khác. Kết quả nghiên cứu phổ tán xạ Raman cho thấy sau 12 giờ phơi ngoài không khí, hạt nano Fe3O4 bị chuyển hóa một phần trên bề mặt thành g-Fe2O3 rồi ổn định với cấu trúc như vậy trong thời gian vài tuần [9]. Phép đo phổ kế hồng ngoại (FTIR) cho thấy trên bề mặt hạt nano từ tính trong nước có bao phủ một lớp –OH, đây là một nhóm chức quan trọng trong việc tạo liên kết với các chất hoạt hóa bề mặt cần thiết cho các ứng dụng sinh học.

Để ứng dụng trong sinh học, các hạt nano cần phải được chức năng hóa bề mặt để có thể tiếp hợp với các đối tượng sinh học như DNA, kháng thể, enzyme. Các nhóm chức thường gặp là nhóm amino, biotin, steptavidin, carbonxyl, thiol. Để có được các nhóm chức ở bề mặt hạt nano, chúng tôi sử dụng nguyên tắc thủy phân organosilane để tạo một lớp polymer trên bề mặt hạt nano. Organosilane là các phân tử có hai nhóm chức có công thức tổng quát là X-(CH2)n-SiRn(OR’)3-n, trong đó X là nhóm chức cần thiết để tiếp hợp các đối tượng sinh học, (CH2)n là lớp đệm hữu cơ, phụ thuộc vào n mà lớp đệm này có thể dày hay mỏng, SiRn là nhóm liên kết với nhóm hydroxyl của bề mặt hạt nano. Alkoxysilane với rất nhiều các nhóm chức X khác nhau đã được thương mại hóa. Nhóm amino được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng sinh học [10]. Trong quá trình chức năng hóa bề mặt, với phân tử organosilane, xảy ra hai phản ứng đồng thời đó là quá trình thủy phân các nhóm silane alkoxy n thành các nhóm silanol hoạt tính và quá trình hóa rắn của các silanol với nhóm OH tự do trên bề mặt hạt nano để tạo ra các liên kết Si-O-Si bền vững. Điều kiện môi trường phản ứng ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình chức năng hóa bề mặt. Ví dụ cồn thường gia tăng quá trình thủy phân và động học hóa rắn do đó làm tăng cường quá trình chức năng hóa bề mặt. Tuy nhiên cồn cũng cạnh tranh với nhóm silane trên bề mặt bằng liên kết hydro.

Chúng tôi sử dụng 3-aminopropyl triethoxysilane (APTS, n = 2) để tạo ra nhóm amino trên bề mặt hạt nano. Lấy 400 mg hạt nano từ tính cho vào 100 ml nước cất hai lần rồi dùng máy siêu âm phân tán hạt vào dung dịch để thu được một thể huyền phù ổn định. Nhỏ 1 ml dung dịch APTS vào trong dung dịch huyền phù nói trên và khuấy từ trong thời gian 8 giờ để quá trình chức năng hóa bề mặt xảy ra hoàn toàn. Sản phẩm thu được sau khi lọc rửa 5 lần bằng nước cất và lọc từ sẽ là hạt nano từ tính Fe3O4 có bề mặt là các nhóm amino (hình 1), viết tắt là amino-NP. Đến đây, hạt nano đã sẵn sàng tiếp hợp với các đoạn DNA của siêu vi Herpes và kháng thể antiCD4 phát huỳnh quang và không phát huỳnh quang của tế bào bạch cầu T. Kháng thể antiCD4 là kháng thể có khả năng đối ứng với kháng Text Box:   Hình 2. Quy trình tiếp hợp hạt nano được chức năng hóa với DNA của siêu vi Herpes (hình trên chỉ mô tả chi tiết đầu 5’ của đoạn DNA dò). Phản ứng (A): hoạt hóa DNA bằng EDC. Phản ứng (B): hoạt hóa DNA bằmg MIA do EDC không ổn định trong nước. Phản ứng (C): tiếp hợp hạt nano từ tính phủ amino với DNA hoạt hóa.nguyên CD4 trên bề mặt tế bào bạch cầu CD4+ T. Khả năng phát huỳnh quang của kháng thể giúp việc đếm tế bào bạch cầu CD4+ T trong máu bệnh nhân bị nhiễm HIV.

LÀM GIÀU DNA CỦA SIÊU VI HERPES

Herpes là một siêu vi gây bệnh ngoài da và bệnh đường sinh dục. Đoạn mã DNA dò của siêu vi này được dùng trong nghiên cứu của chúng tôi là một đoạn mã đặc trưng 5’-AT CAC CGA CCC GGA GAG GGA C-3’ (Invitrogen). Đoạn mã sẽ lai hóa với đoạn mã đối ứng của của DNA đích của dung dịch cần làm giàu. Để DNA dò có thể tiếp hợp với amino-NP thì gốc phosphate của đầu 5’ của đoạn DNA cần được hoạt hóa. Sử dụng 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC, Sigma) làm chất xúc tác cho việc hình thành liên kết giữa nhóm amino trên bề mặt hạt nano và nhóm phosphate của đầu 5’ của đoạn DNA dò (hình 2.A). Tuy nhiên, thời gian sống của EDC sau khi hoạt hóa DNA trong nước rất ngắn nên chúng tôi dùng 1-methyllmidazole (MIA) để phản ứng với EDC hình thành lên nhóm chức hoạt động khác làm cho quá trình hoạt hóa DNA trong nước được ổn định (hình 2.B). Sau quá trình này, DNA được hoạt hóa (gọi tắt là DNA hoạt hóa). Trộn amino-NP và DNA hoạt hóa thì DNA dò sẽ tiếp hợp lên bề mặt của hạt nano ta thu được hạt nano từ tính có đoạn DNA dò trên bề mặt (DNA-NP) (hình 2.C). Quá trình tiếp hợp DNA và hạt nano được ổn định ở nhiệt độ 37°C trong 18 giờ. Sản phẩm của quá trình này là hạt nano từ tính có bề mặt là các DNA dò. Các DNA-NP sẽ được dùng để làm giàu DNA của mẫu thực.

Quá trình làm giàu DNA của siêu vi Herpes bằng hạt nano từ tính được thực hiện như sau. Lấy 1 ml dung dịch chứa DNA-NP (2 % khối lượng DNA-NP/ml dung dịch) trộn với 2 ml – 20 ml dung dịch 0,1 nM/l DNA của siêu vi Herpes. Quá trình lai hóa giữa đoạn DNA dò trên bề mặt hạt nano từ tính và DNA của siêu vi xảy ra tại nhiệt độ được ổn định là 37°C trong thời gian 1 giờ. Sau phản ứng lai hóa, dùng một nam châm thương mại để cô đặc hạt nano từ tính có gắn cùng các DNA của siêu vi. Lượng DNA-NP được ước tính là dư so với số phân tử DNA có trong dung dịch. Hạt cô đặc trong tất cả các trường hợp được hòa vào trong 0,1 ml dung dịch và được gia nhiệt tại nhiệt độ 98°C để tách DNA của siêu vi ra khỏi hạt nano từ tính. Nếu quá trình tách lọc từ đạt hiệu suất 100 % thì nồng độ DNA trong dung dịch cuối cùng sẽ gia tăng từ 20 đến 200 lần. Đo nồng độ của DNA sau khi được làm giàu và tách khỏi hạt nano bằng vi cảm biến độ dẫn.

Vi cảm biến độ dẫn đo nồng độ DNA dựa trên sự thay đổi về độ dẫn ở khoảng cách giữa các điện cực khi có sự lai hóa giữa DNA đích và DNA dò [11]. Điện cực bằng đồng giống như hai chiếc lược đan xen với nhau. Kích thước mỗi răng lược 70´1000 mm2, khoảng cách giữa chúng là 30 mm. Các điện cực được cố định trên đế Si bằng phương pháp quang khắc. Khoảng trống giữa các điện cực là Si được tiếp hợp với DNA dò theo một phương pháp tương tự như phương pháp tiếp hợp hạt nano từ tính với DNA dò. Khi cho cảm biến vào dung dịch có chứa DNA Herpes, quá trình lai hóa giữa DNA dò và DNA đích xảy ra gây ra sự thay đổi về độ dẫn. So sánh với tín hiệu của một điện cực khác không được chức năng hóa bề mặt bằng DNA dò ta sẽ thu được tín hiệu đầu ra. Sự chênh lệch độ dẫn phụ thuộc vào nồng độ DNA. Nhược điểm của phương pháp này là không đo được khi nồng độ thấp hơn 10 nM/l. Kết hợp quá trình làm giàu bằng từ trường như trình bày ở trên và vi cảm biến độ dẫn có thể xác định được DNA có nồng độ thấp hơn. Hình 3 cho thấy sự phụ thuộc của nồng độ DNA vào thể tích của dung dịch ban đầu trước và sau khi làm giàu DNA. Nồng độ tăng tuyến tính theo thể tích cho thấy quá trình làm giàu DNA bằng từ tính đạt hiệu quả. Giá trị đo được bằng vi cảm biến độ dẫn không sai khác nhiều so với giá trị ước tính từ sự giảm thể tích ban đầu về 0,1 ml cho thấy hầu hết phân tử DNA trong dung dịch ban đầu (nồng độ 0,1 nM/l) đều lai hóa với hạt nano từ tính và được cô đặc bằng tách lọc từ. Đây là một phương pháp có thể sử dụng để mở rộng để xác định sự có mặt của nhiều loại siêu vi khác như siêu vi cúm gia cầm.

ĐẾM TẾ BÀO BẠCH CẦU CD4+ T

Quá trình gắn với kháng thể antiCD4 được thực hiện bằng cách lấy 0,4 g amino-NP rửa và tách từ hai lần bằng 1 ml dung dịch đệm 2-(N-Morpholino) ethanesulfonic acid (MES) có pH bằng 6 với nồng độ 0,1 M (Sigma). Sau đó, amino-NP được phân tán trong 0,25 ml dung dịch đệm chứa MES và 2 mg EDC ở dạng bột bằng cách khuấy đều tại nhiệt độ phòng trong 15 phút. Tách rửa bằng từ trường hai lần trước khi nhỏ 1 μg - 100 μg kháng thể đơn dòng antiCD4 (antiCD4, Invitrogen). Tách rửa từ 4 lần bằng nước cất ta thu được hạt nano gắn kháng thể antiCD4, kí hiệu là antiCD4-NP (hình 4). Trong một số mẫu, chúng tôi sử dụng 20 μl kháng thể antiCD4 phát huỳnh quang (viết tắt là *antiCD4, bước sóng kích thích 480 nm, bước sóng Text Box:   Hình 3. Sự phụ thuộc của nồng độ DNA vào thể tích của dung dịch ban đầu trước khi và sau khi làm giàu DNA.phát xạ 520 nm của hãng Exiobio) trộn với antiCD4 có các nồng độ khác nhau. Sau 2 giờ các hạt nano được bọc bởi các kháng thể đơn dòng antiCD4 và *antiCD4 được tách rửa từ 3 lần bằng 1 ml dung dịch đệm phosphate saline (PBS). Kết quả cuối cùng ta thu được hạt nano từ bọc bởi hai loại kháng thể đơn dòng antiCD4: một loại thường (antiCD4-NP) và một loại phát huỳnh quang (*antiCD4-NP) và được bảo quản trong PBS bổ sung thêm albumin huyết thanh bò (BSA).

Lấy 200 μl máu của người bình thường được li tâm trong ống nghiệm Eppendorf 1,5 ml với tốc độ 1000 vòng/phút trong 10 phút để loại bỏ huyết thanh rồi hòa lại vào 200 μl PBS bổ sung 1% BSA. Sau đó các ống được ủ với 0,2 mg antiCD4-NP và *antiCD4-NP trong 20 phút tại nhiệt độ phòng. Bổ sung 1,3 dung dịch đệm nhược trương (5 mM Tris pH 7.0, 10% glycerol) để đột ngột phá tung màng tế bào máu làm tế bào trở thành dạng không có bào quan và bào tương hay còn gọi là tế bào ma (ghost cell). Giai đoạn này, các antiCD4-NP và *antiCD4-NP trên bề mặt hạt nano sẽ gắn đặc hiệu lên các tế bào bạch cầu CD4+ T thông qua tương tác kháng nguyên-kháng thể và được tách lọc bằng từ trường, giúp loại bớt các tế bào ma. Trong một thí nghiệm đối chứng, chúng tôi gắn trực tiếp 20 μl kháng thể đơn dòng antiCD4 phát huỳnh quang với 200 μl máu để nhuộm tế bào bạch cầu CD4+ T. Quá trình xử lý tiếp theo cũng tương tự như thí nghiệm với antiCD4-NP và *antiCD4-NP nhưng không có bước tuyển từ. Các tế bào sau phản ứng gắn đặc hiệu với kháng thể được bảo quản trong 50 μl PBS lạnh, bổ sung 1% BSA và 10% glycerol. 5μl dung dịch chứa tế bào được nhỏ lên một tấm kính (slide glass) rồi được phủ lên bằng một phiến kính mỏng (cover slip) để quan sát bằng hiển vi huỳnh quang Carl Zeiss Axio. Cường độ huỳnh quang được xử lí bằng phần mềm Scion Image.

Hình 5 là ảnh chụp các tế bào trong máu từ kính hiển vi dưới ánh sáng thường (H. 5. A, C) và dưới chế độ phát huỳnh quang (hình 5. B, D) (ánh sáng kích thích 480 nm, ánh sáng huỳnh quang 520 nm). Với mẫu không được tuyển từ (H. 5. A), dưới ánh sáng thường có thể nhìn thấy tế bào hồng cầu và nhiều loại tế bào bạch cầu. Sự nhận biết loại tế bào có thể thông qua hình dạng của chúng. Dưới chế độ huỳnh quang (H. 5. B) thì chỉ nhìn thấy tế bào bạch cầu CD4+ T mà không nhìn thấy các tế bào hồng cầu và bạch Text Box:   Hình 4. Quy trình tiếp hợp hạt nano được chức năng hóa với kháng thể antiCD4. Phản ứng (A) Hạt nano từ tính được chức năng hóa EDC. Phản ứng (B)Tiếp hợp kháng thể antiCD4 với hạt nano từ tính được bao phủ bởi EDC.cầu dạng khác. Sở dĩ như vậy vì hạt nano từ có kháng thể đơn dòng *antiCD4 rất đặc hiệu, chỉ gắn với kháng nguyên CD4 trên bề mặt tế bào bạch cầu CD4+ T và làm các tế bào này phát sáng. Độ sáng của tế bào bạch cầu đo được là (137±45)´103 (đơn vị tùy ý). Dựa trên diện tích của hình nghiên cứu vào khoảng 104 mm2, chúng tôi ước tính số tế bào bạch cầu CD4+ T của hai người trưởng thành là 670 và 810 tế bào/ml. Giá trị này nằm trong khoảng an toàn đối với người khỏe mạnh (600 đến 1200 tế bào/ml). Với người mắc bệnh HIV, số lượng tế bào bạch cầu giảm đi rất nhiều (thậm chí ít hơn 150 tế bào/ml) nên việc lấy thống kê theo diện tích trên hình quan sát của kính hiển vi không chính xác. Chính vì thế chúng tôi sử dụng hạt nano từ tính chức năng hóa bằng kháng thể antiCD4 để làm giàu tế bào bạch cầu trước khi đếm bằng hiển vi huỳnh quang. Chúng tôi đã thử nghiệm với các nồng độ antiCD4 khác nhau từ 1 mg – 100 mg và thấy rằng 20 mg là đủ để chức năng hóa bề mặt của 0,4 g hạt nano. Hình 5. C cho thấy ảnh chụp tế bào máu sau khi tách từ. Không giống như hình 5.A, hình này không có nhiều tế bào hồng cầu, tiểu cầu hoặc các tế bào bạch cầu loại khác với bạch cầu CD4+ T. Hơn nữa, tín hiệu thu được dưới chế độ ảnh chụp huỳnh quang (H. 5. D) cho thấy cường độ phát huỳnh quang của tế bào bạch cầu CD4+ T mạnh hơn cường độ huỳnh quang của tế bào được tiếp hợp với kháng thể huỳnh quang mà không có hạt nano. Cường độ đo được là (356±64)´103 (đơn vị tùy ý) gấp 2,6 lần cường độ lần trước. Các kết quả trên cho thấy rằng, quá trình tách lọc tế bào sử dụng tương tác kháng nguyên-kháng thể đã thành công. Không những thế, cường độ huỳnh quang của các tế bào có hạt nano lại mạnh hơn trường hợp không có hạt nano. Điều này có thể giải thích như sau: nếu không có hạt nano, chỉ có một lớp kháng thể huỳnh quang bám trên bề mặt tế bào nên cường độ huỳnh quang chỉ do một lớp đó phát ra; trong trường hợp của hạt nano huỳnh quang, hạt nano có tác dụng “thu thập” các kháng thể huỳnh quang trước khi tiếp hợp trên bề mặt tế bào tạo nên nhiều lớp kháng thể huỳnh quang nên độ sáng lớn hơn độ sáng của một lớp kháng thể. Ngoài ra việc đếm Text Box:   Hình 5. Ảnh chụp các tế bào trong máu từ kính hiển vi dưới ánh sáng thường (A, C) và dưới chế độ phát huỳnh quang (B, D) của tế bào không được bao bọc bởi hạt nano từ tính (A, B) và được bao bọc bởi hạt nano từ tính (C, D).tế bào cũng dễ dàng hơn do không bị lẫn với các tế bào khác loại và có nhiều tế bào trên một đơn vị diện tích nên thống kê chính xác hơn. Phương pháp đánh dấu tế bào kết hợp với tuyển từ như thế này rất hiệu quả trong việc đếm tế bào bạch cầu CD4+ T cho các bệnh nhân bị nhiễm HIV.

XỬ LÍ NƯỚC BỊ NHIỄM BẨN

Ngoài những ứng dụng trong sinh học, các hạt nanô từ tính còn được ứng dụng trong xử lí nước bị ô nhiễm và hấp thụ thạch tín trong nước. Đối với hạt ôxít sắt, đã có rất nhiều nghiên cứu cho thấy các hạt này có khả năng hấp phụ ion độc hại trong nước, trong đó có thạch tín. Nguyên lí hấp phụ ở đây là tĩnh điện. Hạt nano khi trong môi trường dung dịch phù hợp sẽ có điện tích bề mặt. Với hạt magnetite, ở pH trung tính thì bề mặt của hạt sẽ mang điện tích âm. Điện tích âm sẽ hút các ion thạch tín mang điện tích dương lên bề mặt. Tuy nhiên, hạt nano không giúp cho việc xử lí các chất thải rắn lơ lửng trong nước. Nghiên cứu của chúng tôi cũng tập trung vào khả năng hấp phụ thạch tín lên bề mặt hạt nano magnetite. Tuy nhiên có những điểm khác biệt sau. Thứ nhất, magnetite dễ bị ôxi hóa nên từ tính giảm, nếu dùng quá trình tách từ sẽ kém hiệu quả, việc thay thế một phần Fe2+ bằng các ion kim loại khác như Ni hoặc Co trong magnetite sẽ làm giảm khả năng ô xi hóa mà vẫn không làm thay đổi đến khả năng hấp thụ. Thứ hai là chúng tôi kết hợp với một phương pháp xử lí nước có từ lâu đời là phèn chua với hạt nano từ tính để gia tăng quá trình lắng đọng chất thải rắn lơ lửng và xử lí ion độc hại.

Các hạt nano Fe1-xCoxFe2O4 (mẫu Co) và Fe1-yNiyFe2O4 (mẫu Ni) (x, y = 0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5) được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa giống như hạt magnetite. Chỉ khác ở chỗ, một phần muối FeCl2 được thay thế tương ứng bằng NiCl2 và CoCl2. Dung dịch nước có chứa 0,1 mg/l As3+ được tạo thành một cách nhân tạo. Trong mỗi thí nghiệm về khả năng hấp phụ asen của hạt nano, 100 ml dung dịch sẽ được khuấy với hạt nano bằng máy khuấy từ trong thời gian từ 1 – 60 phút ở nhiệt độ phòng. HCl được nhỏ vào trước khi khuấy để điều khiển pH của dung dịch. Sau khi khuấy, hạt nano từ tính được tách khỏi dung dịch bằng một thanh nam châm. Dung dịch được phân tích thành phần asen bằng phổ kế hấp thụ nguyên tử (AAS). Lí do nghiên cứu mẫu Ni và Co là khả năng chống ô xi hóa ở môi trường làm việc ngoài không khí [9]. Với thành phần x, y ³ 0,1, khả năng chống ôxi hóa của mẫu Co và Ni được cải thiện đáng kể. Trong các nghiên cứu, chúng tôi lấy tiêu chuẩn nồng độ thạch tín cho phép trong nước uống của Việt Nam là 0,01 mg/l. Đối với hạt magnetite, tại pH trung tính, chỉ cần 0,25 g hạt nano cho một lít dung dịch, khuấy trong 3 phút là đủ để giảm nồng độ thạch tín ban đầu à 0,1 mg/l xuống thấp hơn tiêu chuẩn cho phép. Giá trị này tăng hơn một chút khi có sự có mặt của Ni và Co. Cụ thể là khối lượng tối ưu cho ferrite Ni và Co là 0,50 với x, y = 0,1 và 0,2. Với nồng độ Ni và Co cao hơn nữa thì khả năng hấp phụ giảm đi rõ rệt. Hạt nano sau khi hấp phụ thạch tín ở pH trung tính được cho vào môi trường có pH = 13 thì xuất hiện quá trình giải thoát mạnh mẽ thạch tín khỏi bề mặt hạt nano do bề mặt lúc này tích điện dương. Sau khi tách lọc bằng từ trường, hạt nano có thể được tái sử dụng để hấp thụ thạch tín nhiều lần mà hầu như không thấy có sự khác biệt nào so với hạt chưa hấp phụ lần nào.

Một trong những phương pháp làm sạch nước lâu đời ở Việt Nam là dùng phèn chua (một hỗn hợp muối sulfate nhôm, kali). Sau khi hòa trong nước, muối bị thủy phân dưới dạng hydroxide dạng keo. Keo sẽ giúp quá trình kết tụ chất thải rắn lơ lửng trong nước xảy ra nhanh hơn dưới gia tốc trọng trường. Nếu khuấy hạt nano với nước rồi mới cho phèn chua thì cùng với sự giúp đỡ của một từ trường ngoài, hạt nano từ tính sẽ giúp quá trình gia tăng lắng đọng nhanh gấp 10 lần vì lúc này quá trình lắng đọng diễn ra dưới gia tốc trọng trường và gradient từ trường. Chính vì thế việc ứng dụng một thành quả của khoa học hiện đại là vật liệu nano và một phương pháp xử lí nước truyền thống là dùng phèn chua có thể được ứng dụng để hấp phụ io độc hại và lắng đọng chất thải rắn trong nước bị ô nhiễm ở nhiều vùng ở Việt Nam.

KẾT LUẬN

Việc ứng dụng hạt nano trong tách lọc DNA, đánh dấu và nhận biết tế bào, xử lí nước nhiễm bẩn đã được nghiên cứu thành công. Những nghiên cứu này tuy chỉ mới bắt đầu nhưng hứa hẹn những thành quả cụ thể, vừa mang tính ứng dụng cao, vừa mang tính học thuật sâu rộng. Phương pháp chế tạo đơn giản, không đắt tiền rất phù hợp với điều kiện của Việt Nam.

Lời cám ơn

Công trình này được hỗ trợ về tài chính của đề tài Khoa học Cơ bản cấp nhà nước mã số 406506, đề tài cấp Đại học Quốc gia mã số QT-07-10 và dự án Selectnano-TTC của Cộng đồng Châu Âu.

Tài liệu tham khảo

[1] C. P. Poole, F. J. Owens, Introduction to nanotechnology, Wiley: Hoboken (2003).

[2] J. S. Murday, Nanomaterials–the driving force, AMPTIAC Newsletter 6 (2002) 20-29.

[3] http://nobelprize.org/

[4] R. C. O’Handley, Modern magnetic materials: principles and applications, Wiley: New York (2000) p. 307, 718.

[5] D. L. Leslie-Pelecky, V. Labhasetwar, J. Kraus, Nanobiomagnetics, trong Advanced magnetic nanostructures, D.J. Sellmyer, R.S. Skomski, Kluwer: New York (2006).

[6] Pankhurst, Q.A., J. Connolly, S.K. Jones, J. Dobson, Applications of magnetic nanoparticles in biomedicine, J. Phys. D: Appl. Phys., 36 (2003) R167-R181.

[7] N. T. Khuat, V. A. T. Nguyen, T.-N. Phan, C. V. Thach, N. H. Hai, N. Chau, Extension of inhibitory effect of Chloramphenicol on bacteria by incorporating it into Fe3O4 magnetic nanoparticles, J. Korean Phys. Soc. (2007) to be published.

[8] N. H. Hai, C. V. Thach, N. T. Ha, N. Chau, N. T. V. Anh, P. T. Nghia, H. D. Chinh, Preparation of Fe3O4 magnetic fluids and their applications in biology and environment, Proc. Intl. Conf. Engineer. Phys., Hanoi (2006) 95-100.

[9] N. H. Hai, N. D. Phu, N. H. Luong, N. Chau, H. D. Chinh, L. H. Hoang, D. L. Leslie-Pelecky, Mechanism for Sustainable Magnetic Nanoparticles under Ambient Conditions, J. Korean Phys. Soc. (2007) to be published.

[10] I. J. Bruce, T. Sen, Surface modification of magnetic nanoparticles with Alkoxysilanes and their application in magnetic bioseparations, Langmuir 21 (2005) 7029-7035.

[11] M. A. Tuan, N. H. Binh, P. D. Tam, N. D. Chien, Conductometric biosensor for diabetic diagnosis and DNA detection in transgenic corn, Comm. Phys. 15 (2005) 218-222.

2007/04/03

Hạt nano kim loại

Hạt nano kim loại
(Metallic nanoparticles)

Nguyễn Hoàng Hải (Dạ Trạch)

Trung tâm Khoa học Vật liệu
Khoa Vật lí, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Đại học Quốc gia Hà Nội
334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam

Keywords: nanoparticle, gold, silver, biophysics, nanomaterials


I. VẬT LIỆU NANO VÀ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA NÓ
Khoa học và công nghệ nano là một trong những thuật ngữ được sử dụng rộng rãi nhất trong khoa học vật liệu ngày nay là do đối tượng của chúng là vật liệu nano có những tính chất kì lạ khác hẳn với các tính chất của vật liệu khối mà người ta nghiên cứu trước đó [1]. Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với vật liệu khối bắt nguồn từ hai hiện tượng sau đây:

1. Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng. Ví dụ, xét vật liệu tạo thành từ các hạt nano hình cầu. Nếu gọi ns là số nguyên tử nằm trên bề mặt, n là tổng số nguyên tử thì mối liên hệ giữa hai con số trên sẽ là ns = 4n2/3. Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử sẽ là f = ns/n = 4/n1/3 = 4r0/r, trong đó r0 là bán kính của nguyên tử và r là bán kính của hạt nano. Như vậy, nếu kích thước của vật liệu giảm (r giảm) thì tỉ số f tăng lên. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng. Khi kích thước của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f này tăng lên đáng kể. Sự thay đổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự thay đổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục. Chúng ta cần lưu ý đặc điểm này trong nghiên cứu và ứng dụng. Khác với hiệu ứng thứ hai mà ta sẽ đề cập đến sau, hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Ở đây không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua. Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng. Bảng 1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt nano hình cầu. Với một hạt nano có đường kính 5 nm thì số nguyên tử mà hạt đó chứa là 4.000 nguyên tử, tí số f là 40 %, năng lượng bề mặt là 8,16×1011 và tỉ số năng lượng bề mặt trên năng lượng toàn phần là 82,2 %. Tuy nhiên, các giá trị vật lí giảm đi một nửa khi kích thước của hạt nano tăng gấp hai lần lên 10 nm.

Bảng 1: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu

Đường kính hạt nano (nm)

Số nguyên tử

Tỉ số nguyên tử trên bề mặt (%)

Năng lượng bề mặt (erg/mol)

Năng lượng bề mặt/Năng lượng tổng (%)

10

30.000

20

4,08×1011

7,6

5

4.000

40

8,16×1011

14,3

2

250

80

2,04×1012

35,3

1

30

90

9,23×1012

82,2

2. Hiệu ứng kích thước
Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm. Chính điều này đã làm nên cái tên "vật liệu nano" mà ta thường nghe đến ngày nay. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lí đã biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trước đó. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó. Cùng một vật liệu, cùng một kích thước, khi xem xét tính chất này thì thấy khác lạ sơ với vật liệu khối nhưng cũng có thể xem xét tính chất khác thì lại không có gì khác biệt cả. Tuy nhiên, chúng ta cũng may mắn là hiệu ứng bề mặt luôn luôn thể hiện dù ở bất cứ kích thước nào. Ví dụ, đối với kim loại, quãng đường tự do trung bình của điện tử có giá trị vài chục nm. Khi chúng ta cho dòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, nếu kích thước của dây rất lớn so với quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại này thì chúng ta sẽ có định luật Ohm cho dây dẫn. Định luật cho thấy sự tỉ lệ tuyến tính của dòng và thế đặt ở hai đầu sợi dây. Bây giờ chúng ta thu nhỏ kích thước của sợi dây cho đến khi nhỏ hơn độ dài quãng đường tự do trung mình của điện tử trong kim loại thì sự tỉ lệ liên tục giữa dòng và thế không còn nữa mà tỉ lệ gián đoạn với một lượng tử độ dẫn là e2/ħ, trong đó e là điện tích của điện tử, ħ là hằng đó Planck. Lúc này hiệu ứng lượng tử xuất hiện. Có rất nhiều tính chất bị thay đổi giống như độ dẫn, tức là bị lượng tử hóa do kích thước giảm đi. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển-lượng tử trong các vật liệu nano do việc giam hãm các vật thể trong một không gian hẹp mang lại (giam hãm lượng tử). Bảng 2 cho thấy giá trị độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu [2].

Bảng 2: Độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu

Tính chất

Thông số

Độ dài đặc trưng (nm)

Điện

Bước sóng của điện tử

Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi

Hiệu ứng đường ngầm

10-100

1-100

1-10

Từ

Vách đô men, tương tác trao đổi

Quãng đường tán xạ spin

Giới hạn siêu thuận từ

10-100

1-100

5-100

Quang

Hố lượng tử (bán kính Bohr)

Độ dài suy giảm

Độ sâu bề mặt kim loại

Hấp thụ Plasmon bề mặt

1-100

10-100

10-100

10-500

Siêu dẫn

Độ dài liên kết cặp Cooper

Độ thẩm thấu Meisner

0.1-100

1-100

Tương tác bất định xứ

Biên hạt

Bán kính khởi động đứt vỡ

Sai hỏng mầm

Độ nhăn bề mặt

1-1000

1-10

1-100

0.1-10

1-10

Xúc tác

Hình học topo bề mặt

1-10

Siêu phân tử

Độ dài Kuhn

Cấu trúc nhị cấp

Cấu trúc tam cấp

1-100

1-10

10-1000

Miễn dịch

Nhận biết phân tử

1-10

II. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU NANO
Có rất nhiều cách phân loại vật liệu nano, mỗi cách phân loại cho ra rất nhiều loại nhỏ nên thường hay làm lẫn lộn các khái niệm. Sau đây là một vài cách phân loại thường dùng.

1. Phân loại theo hình dáng của vật liệu: người ta đặt tên số chiều không bị giới hạn ở kích thước nano

· Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano), ví dụ đám nano, hạt nano

· Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, ví dụ dây nano, ống nano

· Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, ví dụ màng mỏng

· Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.

Cũng theo cách phân loại theo hình dáng của vật liệu, một số người đặt tên số chiều bị giới hạn ở kích thước nano. Nếu như thế thì hạt nano là vật liệu nano 3 chiều, dây nano là vật liệu nano 2 chiều và màng mỏng là vật liệu nano 1 chiều. Cách này ít phổ biến hơn cách ban đầu.

2. Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano:

· Vật liệu nano kim loại

· Vật liệu nano bán dẫn

· Vật liệu nano từ tính

· Vật liệu nano sinh học

· vân vân

Nhiều khi người ta phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái niệm nhỏ để tạo ra các khái niệm mới. Ví dụ, đối tượng chính của chúng ta sau đây là "hạt nano kim loại" trong đó "hạt" được phân loại theo hình dáng, "kim loại" được phân loại theo tính chất hoặc "vật liệu nano từ tính sinh học" trong đó cả "từ tính" và "sinh học" đều là khái niệm có được khi phân loại theo tính chất.

III. HẠT NANO KIM LOẠI
Hạt nano kim loại là một khái niệm để chỉ các hạt có kích thước nano được tạo thành từ các kim loại. Người ta biết rằng hạt nano kim loại như hạt nano vàng, nano bạc được sử dụng từ hàng ngìn năm nay. Nổi tiếng nhất có thể là chiếc cốc Lycurgus được người La Mã chế tạo vào khoảng thế kỉ thứ tư trước Công nguyên và hiện nay được trưng bày ở Bảo tàng Anh [3]. Chiếc cốc đó đổi màu tùy thuộc vào cách người ta nhìn nó. Nó có màu xanh lục khi nhìn ánh sáng phản xạ trên cốc và có màu đỏ khi nhìn ánh sáng đi từ trong cốc và xuyên qua thành cốc. Các phép phân tích ngày nay cho thấy trong chiếc cốc đó có các hạt nano vàng và bạc có kích thước 70 nm và với tỉ phần mol là 14:1. Tuy nhiên, phải đến năm 1857, khi Michael Faraday nghiên cứu một cách hệ thống các hạt nano vàng thì các nghiên cứu về phương pháp chế tạo, tính chất và ứng dụng của các hạt nano kim loại mới thực sự được bắt đầu. Khi nghiên cứu, các nhà khoa học đã thiết lập các phương pháp chế tạo và hiểu được các tính chất thú vị của hạt nano. Một trong những tính chất đó là màu sắc của hạt nano phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và hình dạng của chúng. Ví dụ, ánh sáng phản xạ lên bề mặt vàng ở dạng khối có màu vàng. Tuy nhiên, ánh sáng truyền qua lại có màu xanh nước biển hoặc chuyển sang màu da cam khi kích thước của hạt thay đổi. Hiện tượng thay đổi màu sắc như vậy là do một hiệu ứng gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt. Chỉ có các hạt nano kim loại, trong đó các điện tử tự do mới có hấp thụ ở vùng ánh sáng khả kiến làm cho chúng có hiện tượng quang học thú vị như trên. Ngoài tính chất trên, các hạt nano bạc còn được biết có khả năng diệt khuẩn. Hàng ngàn năm trước người ta thấy sữa để trong các bình bạc thì để được lâu hơn. Ngày nay người ta biết đó là do bạc đã tác động lên enzym liên quan đến quá trình hô hấp của các sinh vật đơn bào.

IV. CHẾ TẠO HẠT NANO KIM LOẠI
Có hai phương pháp để tạo vật liệu nano, phương pháp từ dưới lên và phương pháp từ trên xuống. Phương pháp từ dưới lên là tạo hạt nano từ các ion hoặc các nguyên tử kết hợp lại với nhau. Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo vật liệu nano từ vật liệu khối ban đầu. Đối với hạt nano kim loại như hạt nano vàng, bạc, bạch kim,... thì phương pháp thường được áp dụng là phương pháp từ dưới lên. Nguyên tắc là khử các ion kim loại như Ag+, Au+ để tạo thành các nguyên tử Ag và Au. Các nguyên tử sẽ liên kết với nhau tạo ra hạt nano. Các phương pháp từ trên xuống ít được dùng hơn nhưng thời gian gần đây đã có những bước tiến trong việc nghiên cứu theo phương pháp này.

1. Phương pháp ăn mòn laser
Đây là phương pháp từ trên xuống [4]. Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt trong một dung dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt. Một chùm Laser xung có bước sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 ns, tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung là 90 mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1-3 mm. Dưới tác dụng của chùm laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm được hình thành và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt CnH2n+1SO4Na với n = 8, 10, 12, 14 với nồng độ từ 0,001 đến 0,1 M.

2. Phương pháp khử hóa học
Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại thành kim loại. Thông thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nên còn gọi là phương pháp hóa ướt. Đây là phương pháp từ dưới lên. Dung dịch ban đầu có chứa các muối của các kim loại như HAuCl4, H2PtCl6, AgNO3. Tác nhân khử ion kim loại Ag+, Au+ thành Ag0, Au0 ở đây là các chất hóa học như Citric acid, vitamin C, Sodium Borohydride NaBH4, Ethanol (cồn), Ethylene Glycol [5] (phương pháp sử dụng các nhóm rượu đa chức như thế này còn có một cái tên khác là phương pháp polyol). Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám, người ta sử dụng phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích và đẩy nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc chất hoạt hóa bề mặt. Phương pháp tĩnh điện đơn giản nhưng bị giới hạn bởi một số chất khử. Phương pháp bao phủ phức tạp nhưng vạn năng hơn, hơn nữa phương pháp này có thể làm cho bề mặt hạt nano có các tính chất cần thiết cho các ứng dụng. Các hạt nano Ag, Au, Pt, Pd, Rh với kích thước từ 10 đến 100 nm có thể được chế tạo từ phương pháp này.

3. Phương pháp khử vật lí
Phương khử vật lí dùng các tác nhân vật lí như điện tử [6], sóng điện từ năng lượng cao như tia gamma [7], tia tử ngoại [8], tia laser [9] khử ion kim loại thành kim loại. Dưới tác dụng của các tác nhân vật lí, có nhiều quá trình biến đổi của dung môi và các phụ gia trong dung môi để sinh ra các gốc hóa học có tác dụng khử ion thành kim loại. Ví dụ, người ta dùng chùm laser xung có bước sóng 500 nm, độ dài xung 6ns, tần số 10 Hz, công suất 12-14 mJ [9] chiếu vào dung dịch có chứa AgNO3 như là nguồn ion kim loại và Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) như là chất hoạt hóa bề mặt để thu được hạt nano bạc.

4. Phương pháp khử hóa lí
Đây là phương pháp trung gian giữa hóa học và vật lí. Nguyên lí là dùng phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano. Phương pháp điện phân thông thường chỉ có thể tạo được màng mỏng kim loại. Trước khi xảy ra sự hình thành màng, các nguyên tử kim loại sau khi được điện hóa sẽ tạo các hạt nano bàm lên điện cực âm. Lúc này người ta tác dụng một xung siêu âm đồng bộ với xung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch [10].

5. Phương pháp khử sinh học
Dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại [11]. Người ta cấy vi khuẩn MKY3 vào trong dung dịch có chứa ion bạc để thu được hạt nano bạc. Phương pháp này đơn giản, thân thiện với môi trường và có thể tạo hạt với số lượng lớn.


V. TÍNH CHẤT CỦA HẠT NANO KIM LOẠI
Như phần đầu đã nói, hạt nano kim loại có hai tính chất khác biệt so với vật liệu khối đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước. Tuy nhiên, do đặc điểm các hạt nano có tính kim loại, tức là có mật độ điện tử tự do lớn thì các tính chất thể hiện có những đặc trưng riêng khác với các hạt không có mật độ điện tử tự do cao.

1. Tính chất quang học
Như trên đã nói, tính chất quang học của hạt nano vàng, bạc trộn trong thủy tinh làm cho các sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau đã được người La Mã sử dụng từ hàng ngàn năm trước. Các hiện tượng đó bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào. Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng. Thông thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước. Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano được có được do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của hạt nano và môi trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất. Ngoài ra, mật độ hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất quang. Nếu mật độ loãng thì có thể coi như gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt.

2. Tính chất điện
Tính dẫn điện của kim loại rất tốt, hay điện trở của kim loại nhỏ nhờ vào mật độ điện tử tự do cao trong đó. Đối với vật liệu khối, các lí luận về độ dẫn dựa trên cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn. Điện trở của kim loại đến từ sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút mạng (phonon). Tập thể các điện tử chuyển động trong kim loại (dòng điện I) dưới tác dụng của điện trường (U) có liên hệ với nhau thông qua định luật Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở của kim loại. 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, với e là điện tích của điện tử, CR là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực.

3. Tính chất từ
Các kim loại quý như vàng, bạc,... có tính nghịch từ ở trạng thái khối 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 trang thái khối như các kim loại chuyển tiếp sắt, cô ban, ni ken 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.

4. 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 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 [12].

VI. ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO KIM LOẠI

Các ứng dụng đều liên quan đến những tính chất khác biệt của hạt nano. Những ứng dụng đầu tiên như chúng ta đã biết là liên quan đến tính chất quang của chúng. Người ta trộn hạt nano vàng, bạc vào thủy tinh để chúng có các màu sắc khác nhau. Gần đây người ta đã phát hiện ra rất nhiều ứng dụng khả dĩ của hạt nano vàng để tiêu diệt tế bào ung thư [13]. Trong đó, hạt nano vàng được kích thích bằng ánh sáng laser xung, do hiện tượng hấp thụ cộng hưởng Plasmon mà hạt nano dao động trở nên nóng bỏng, có khi lên đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của vàng. Quá trình tăng nhiệt này gây ra một sóng xung kích (shock wave) tiêu diệt tế bào ung thư trong đường kính hàng mm. Hạt nano vàng bọc bởi các nguyên tử Gd (có mô men từ nguyên tử lớn nhất) còn được dùng để làm tăng độ tương phản trong cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) [14]. Rất gần đây, người ta còn tạo ra nguyên tử nhân tạo từ hai hạt nano vàng mở ra khả năng ứng dụng lớn trong tương lai [15].


Tài liệu tham khảo

[1] L. M. Liz-Marzán, Materials Today (2004) 26.
[2] Murday, J. S., AMPTIAC Newsletter 6 (2002) 5.
[3] http://www.thebritishmuseum.ac.uk/science/text/lycurgus/sr-lycurgus-p1-t.html
[4] F. Mafune et. al., J. Phys. Chem. 14 (2000) 8333.
[5] D. Kim et. al., Nanotechnology 17 (2006) 4019.
[6] K. A. Bogle et. al., Nanotechnology 17 (2006) 3024.
[7] H. S. Shin et. al., J. Colloid. Interface Sci. 274 (2004) 89.
[8] H. H. Huang et. al., Langmuir 12 (1996) 909.
[9] J. P. Abid et. al., Chem Commun. (2002) 792.
[10] J. Zhu et. al., Langmuire 16 (2000) 6396.
[11] M. Kowshik et. al., Nanotechnology 14 (2003) 95.

[12] K. J. Klabunde, Nanoscale Materials in Chemistry, Wiley (2001), p. 23.

[13] R. R. Letfullin et. al., Nanomedicine 1 (2006) 473.

[14] J.-P. Debouttiere, et. al., Adv. Func. Mater. 16 (2006) 2330.

[15] G. A. DeVries, et. al., Science 315 (2007) 358.