Luận án tiến sĩ vật lý: Chế tạo và khảo sát tính chất quang hạt nano vàng ứng dụng y sinh - ĐH Khoa học và Công nghệ

Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR) là nguyên lý vật lý cơ bản quyết định tính chất quang của AuNPs. Khi chùm ánh sáng chiếu tới bề mặt hạt, các electron dẫn tự do bị kích thích và dao động tập thể. Dao động này đạt trạng thái cộng hưởng với điện trường của photon ánh sáng tại một bước sóng xác định. Hiện tượng SPR tạo ra khả năng hấp thụ và tán xạ ánh sáng cực mạnh tại đỉnh cộng hưởng. Cường độ tán xạ cao giúp khuếch đại tín hiệu hình ảnh trong các phép đo quang học hiện đại. Khả năng hấp thụ photon chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành nhiệt năng cục bộ một cách nhanh chóng. Đối với các hạt nano vàng hình cầu kích thước nhỏ, dải hấp thụ SPR thường xuất hiện trong vùng ánh sáng nhìn thấy quanh bước sóng 520 nm. Vị trí dải SPR thay đổi rất nhạy cảm theo sự biến thiên chiết suất của môi trường điện môi xung quanh. Đặc tính này biến hạt vàng thành công cụ đắc lực trong việc chế tạo các cảm biến sinh học có độ nhạy siêu cao.

Tính chất quang của các hạt nano vàng chịu sự chi phối mạnh mẽ từ kích thước hình học và hình thái không gian. Lý thuyết Mie giải thích chi tiết cơ chế hấp thụ và tán xạ ánh sáng của các hạt kim loại hình cầu. Khi đường kính hạt nano vàng tăng lên, đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon dịch chuyển dần về phía bước sóng dài hơn. Hiện tượng dịch chuyển phổ này được gọi là hiện tượng dịch chuyển đỏ. Tỷ lệ tương đối giữa cường độ tán xạ và cường độ hấp thụ cũng biến đổi theo kích thước hạt. Các hạt nano vàng có kích thước dưới 20 nm thể hiện ưu thế vượt trội về khả năng hấp thụ photon. Ngược lại, các hạt có đường kính lớn hơn 50 nm thể hiện khả năng tán xạ ánh sáng rất mạnh mẽ. Khi hạt thay đổi hình thái từ dạng cầu đối xứng sang dạng thanh bất đối xứng, lý thuyết Gans mô tả sự phân tách thành hai dải plasmon riêng biệt. Cấu trúc lõi vỏ silica/vàng cho phép điều chỉnh đỉnh hấp thụ từ vùng khả kiến sang vùng hồng ngoại gần. Sự linh hoạt trong điều khiển quang phổ tạo nền tảng vững chắc cho nhiều ứng dụng chẩn đoán chuyên sâu.

Phương pháp Turkevich là kỹ thuật tổng hợp kinh điển và phổ biến nhất để chế tạo nano vàng hình cầu trong phòng thí nghiệm. Quy trình sử dụng muối natri citrate đóng vai trò kép vừa là chất khử ion Au3+ vừa là tác nhân bao bọc bề mặt hạt. Phản ứng khử tạo ra dung dịch hạt nano vàng có độ đơn phân tán rất cao trong khoảng kích thước từ 10 nm đến 20 nm. Tuy nhiên, phương pháp Turkevich bộc lộ nhiều rào cản kỹ thuật lớn khi người nghiên cứu muốn mở rộng đường kính hạt. Việc giảm nồng độ muối citrate để kích thích hạt phát triển lớn hơn 30 nm thường làm suy giảm nghiêm trọng độ đồng đều. Các hạt tạo thành có xu hướng bị méo mó, biến dạng hình học và phân bố kích thước trở nên rất rộng. Hệ keo vàng kích thước lớn tổng hợp theo phương pháp này thường kém ổn định và dễ bị tụ kết. Do đó, phương pháp Turkevich không đáp ứng được yêu cầu chế tạo hạt kích thước lớn cho kỹ thuật hiện ảnh tán xạ.

Phương pháp phát triển mầm (seed-mediated growth) là giải pháp đột phá giúp khắc phục triệt để các hạn chế của phương pháp cổ điển. Kỹ thuật này phân tách toàn bộ quy trình tổng hợp hạt thành hai giai đoạn phản ứng độc lập và tuần tự. Giai đoạn thứ nhất tập trung tạo ra các hạt mầm nano vàng ban đầu có kích thước siêu nhỏ từ 1 nm đến 4 nm. Giai đoạn thứ hai chuyển các hạt mầm vào dung dịch nuôi chứa ion Au3+ cùng chất khử yếu như axit ascorbic hoặc hydroxylamine. Chất khử yếu trong dung dịch nuôi không có khả năng tự khử ion vàng để sinh mầm mới trong điều kiện thường. Ion vàng chỉ bị khử chọn lọc và kết tinh trực tiếp lên bề mặt các tâm hạt mầm đã đưa vào từ trước. Việc kiểm soát tỷ lệ nồng độ giữa ion vàng trong dung dịch nuôi và lượng hạt mầm giúp điều chỉnh chính xác kích thước hạt cuối cùng. Phương pháp phát triển mầm cho phép tổng hợp các hạt nano vàng hình cầu có đường kính từ 20 nm đến hơn 200 nm với độ phân tán cực hẹp.

Hạt mầm Duff-Baiker là tiền chất lý tưởng thường được lựa chọn trong quy trình seed-mediated growth để chế tạo hạt hình cầu chất lượng cao. Phản ứng Duff-Baiker sử dụng hợp chất tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride (THPC) làm chất khử mạnh trong môi trường kiềm. Quy trình tạo ra các hạt nano vàng mầm siêu nhỏ với đường kính đồng đều chỉ trong khoảng 1 nm đến 2 nm. Bề mặt hạt mầm Duff-Baiker mang điện tích âm nhẹ, tạo độ ổn định keo tốt và thuận lợi cho các phản ứng phát triển tiếp theo. Khi phối trộn vào dung dịch nuôi vàng hydroxyde, giá trị pH được tối ưu hóa chính xác nhằm kiểm soát vận tốc phản ứng khử bề mặt. Các hạt mầm đóng vai trò chất xúc tác dị thể, thu hút các ion vàng lắng đọng đồng thời và đồng tốc trên toàn bộ hệ hạt. Quá trình phát triển đồng bộ mang lại hệ nano vàng hình cầu có độ cầu hoàn hảo và bề mặt sạch. Dung dịch keo vàng thành phẩm duy trì trạng thái phân tán bền vững trong nhiều tháng mà không xảy ra hiện tượng lắng cặn.

Phương pháp Stöber là quy trình tiêu chuẩn hàng đầu để tổng hợp các hạt nano silica hình cầu đồng nhất làm cấu trúc lõi. Phản ứng diễn ra thông qua quá trình thủy phân và ngưng tụ hợp chất tetraethyl orthosilicate (TEOS) trong môi trường cồn và xúc tác amoniac. Quy trình cho phép kiểm soát chính xác đường kính hạt lõi silica trong dải kích thước rộng từ 40 nm đến 150 nm. Bề mặt hạt silica sau khi tổng hợp chứa mật độ lớn các nhóm chức silanol mang điện tích âm trong nước. Để tạo khả năng liên kết với các hạt mầm kim loại, bề mặt hạt silica cần được chức năng hóa bằng phân tử APTES ((3-Aminopropyl)triethoxysilane). Các phân tử APTES gắn các nhóm amine hữu cơ (-NH2) lên bề mặt ngoài của hạt lõi silica thông qua liên kết cộng hóa trị bền vững. Các nhóm amine mang điện tích dương trong môi trường trung tính và thể hiện ái lực hóa học rất mạnh đối với các hạt nano vàng. Quá trình amin hóa bề mặt tạo tiền đề quyết định cho sự gắn kết mầm kim loại một cách đồng đều.

Quá trình chế tạo lớp vỏ vàng bắt đầu bằng việc hấp phụ tĩnh điện các hạt vàng mầm Duff-Baiker lên bề mặt hạt lõi silica đã amin hóa. Các hạt mầm vàng siêu nhỏ tích điện âm nhanh chóng liên kết chặt chẽ với các nhóm amine tích điện dương trên bề mặt hạt lõi. Thời gian ủ và tỷ lệ phối trộn được khảo sát chi tiết nhằm đạt được mật độ che phủ mầm tối đa mà không gây kết tụ hạt silica. Hạt phức hợp silica gắn mầm vàng sau đó được chuyển vào dung dịch mạ chứa phức ion vàng và chất khử formaldehyde (HCHO). Chất khử formaldehyde phản ứng chọn lọc, khử ion vàng trực tiếp lên các tâm mầm kim loại có sẵn trên bề mặt silica. Khi phản ứng tiếp diễn, các đảo vàng nhỏ phát triển to dần và hợp nhất lại với nhau thành một màng kim loại liên tục. Kết quả tạo thành lớp vỏ nano vàng hoàn chỉnh bao bọc toàn bộ bề mặt hạt lõi silica với độ dày có thể kiểm soát chính xác.

Đặc tính quang phổ của hạt nano SiO2/Au phụ thuộc mật thiết vào tỷ lệ hình học giữa đường kính lõi silica và độ dày lớp vỏ vàng. Khi giữ cố định kích thước hạt lõi và giảm dần độ dày của lớp vỏ kim loại, đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon dịch chuyển mạnh về phía vùng hồng ngoại gần. Ngược lại, khi tăng độ dày lớp vỏ vàng, tính chất quang học của hạt lõi vỏ dần biến đổi và tiệm cận với tính chất của hạt nano vàng hình cầu đặc. Việc tinh chỉnh tỷ lệ nồng độ giữa chất khử formaldehyde và ion vàng cho phép điều khiển độ dày vỏ vàng từ vài nanomet đến hàng chục nanomet. Kỹ thuật này giúp định vị chính xác đỉnh hấp thụ quang học tại bước sóng mong muốn của các nguồn laser điều trị hiện đại. Cấu trúc nano lõi vỏ SiO2/Au thể hiện độ bền nhiệt cao và không bị biến đổi hình thái dưới tác động của chùm tia laser cường độ lớn.

Quy trình chế tạo thanh nano vàng gold nanorods thường dựa trên phương pháp phát triển mầm có sự định hướng của chất hoạt động bề mặt. Hợp chất cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) đóng vai trò chất hoạt động bề mặt tạo khuôn cấu trúc micelle hình trụ dạng que trong dung dịch nước. Hạt mầm vàng kích thước siêu nhỏ được đưa vào môi trường phản ứng chứa ion Au+, ion Ag+ và chất khử yếu axit ascorbic. Các ion Ag+ trong dung dịch đóng vai trò then chốt khi hấp phụ chọn lọc lên một số mặt phẳng tinh thể nhất định của mầm vàng. Sự che phủ cục bộ của bạc làm chậm đáng kể tốc độ lắng đọng ion vàng tại các mặt tinh thể này. Do đó, tinh thể vàng bị thúc đẩy phát triển ưu tiên theo một hướng duy nhất dọc theo chiều dài của khuôn micelle CTAB. Việc thay đổi tỷ lệ nồng độ giữa ion bạc và nồng độ chất hoạt động bề mặt CTAB cho phép điều chỉnh chính xác chiều dài và độ mảnh của các thanh nano thành phẩm.

Khả năng tùy biến dải hấp thụ plasmon dọc là ưu thế vượt trội hàng đầu của cấu trúc thanh nano vàng so với nano vàng hình cầu. Phổ hấp thụ quang học UV-Vis của hệ keo gold nanorods thể hiện rõ nét hai đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt độc lập. Đỉnh hấp thụ ngang duy trì ổn định quanh bước sóng 520 nm, hoàn toàn tương đồng với phổ quang học của hạt vàng dạng cầu truyền thống. Trong khi đó, đỉnh hấp thụ dọc có thể dịch chuyển liên tục từ bước sóng 600 nm đến hơn 1100 nm khi tăng tỷ số aspect ratio của thanh. Ánh sáng thuộc vùng hồng ngoại gần (NIR) có khả năng xuyên sâu qua các lớp biểu bì và mô cơ thể người mà không gây tổn hại tế bào bình thường. Thanh nano vàng hấp thụ năng lượng photon trong dải NIR với hệ số suy giảm quang học cực lớn. Năng lượng hấp thụ được chuyển hóa nhanh chóng thành nhiệt năng tỏa ra xung quanh, đáp ứng trọn vẹn yêu cầu điều trị quang nhiệt trúng đích.

Kỹ thuật hiện ảnh tế bào trường tối (dark-field microscopy) tận dụng tối đa cường độ tán xạ ánh sáng plasmonic cực mạnh của các hạt AuNPs. Kính hiển vi trường tối sử dụng tụ quang đặc biệt để chặn hoàn toàn tia sáng chiếu thẳng, chỉ thu nhận chùm tia tán xạ từ mẫu vật vào vật kính. Dưới thị kính trường tối, các hạt nano vàng xuất hiện rực rỡ như những điểm sáng có màu sắc đặc trưng trên nền đen hoàn toàn. Khác biệt với các phân tử chất nhuộm huỳnh quang hữu cơ, hạt nano vàng không bao giờ bị hiện tượng quang phân rã hay nhấp nháy quang học theo thời gian. Độ bền quang học vĩnh cửu cho phép các nhà khoa học theo dõi động học của tế bào sống liên tục trong nhiều ngày. Khi được chức năng hóa bằng kháng thể màng tế bào, hạt nano vàng bám chọn lọc lên thụ thể của tế bào khối u. Kỹ thuật này cung cấp độ tương phản vượt bậc và hỗ trợ chẩn đoán sớm ung thư ở cấp độ tế bào đơn lẻ.

Liệu pháp quang nhiệt (photothermal therapy - PTT) là ứng dụng trị liệu tiên tiến hàng đầu sử dụng các cấu trúc hạt nano vàng plasmonic. Khi chiếu chùm tia bức xạ laser thuộc vùng hồng ngoại gần vào vị trí khối u, các hạt vàng hấp thụ năng lượng photon với hiệu suất tối đa. Sự tương tác giữa photon và electron dẫn tạo ra quá trình thư giãn nhiệt electron-phonon, giải phóng nhiệt lượng cục bộ mạnh mẽ ra môi trường xung quanh. Nhiệt độ tế bào quanh vị trí hạt nano có thể nhanh chóng tăng vượt ngưỡng 43 độ C chỉ trong vài phút chiếu xạ laser. Mức nhiệt cục bộ này phá hủy cấu trúc protein, làm biến tính enzyme và gây hoại tử tế bào ung thư mà không cần dùng hóa chất độc hại. Các mô lành xung quanh hoàn toàn không bị ảnh hưởng do không hấp thụ bước sóng laser hồng ngoại. Cả cấu trúc thanh nano vàng và hạt nano lõi vỏ SiO2/Au đều chứng minh hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt vượt bậc trong các thử nghiệm tiền lâm sàng.