Xác định các thông số động học của các hạt nano vàng bán nguyệt đơn nhất - Vũ Xuân Hòa

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