Hạt nano vàng là gì? Các nghiên cứu về Hạt nano vàng

Định nghĩa Hạt Nano Vàng

Hạt nano vàng (Gold nanoparticles – AuNPs) là những hạt kim loại vàng có kích thước cực nhỏ, nằm trong khoảng từ 1 đến 100 nanomet. Ở thang đo nano, vàng thể hiện các đặc tính quang học, hóa học và sinh học rất khác biệt so với vàng khối. Điểm nổi bật là hiệu ứng plasmon bề mặt cục bộ (Localized Surface Plasmon Resonance – LSPR), một hiện tượng dao động tập thể của các electron dẫn dưới tác động của ánh sáng, tạo ra màu sắc đặc trưng và khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh trong dải khả kiến đến cận hồng ngoại.

Trong vật liệu khối, vàng thường có màu vàng ánh kim quen thuộc, nhưng khi chia nhỏ xuống kích thước nano, màu sắc có thể chuyển sang đỏ, tím, xanh hoặc đen tùy theo kích thước và hình dạng hạt. Tính chất này đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu y sinh học cho đến chế tạo vật liệu quang điện tử. Hạt nano vàng cũng có khả năng bám dính và liên hợp tốt với nhiều loại phân tử sinh học, nhờ vậy được khai thác trong y học chẩn đoán và điều trị.

Một số đặc điểm chính của hạt nano vàng:

• Kích thước: 1–100 nm.
• Hiệu ứng plasmon bề mặt tạo dải hấp thụ đặc trưng.
• Tính tương thích sinh học cao, ít gây phản ứng độc tính ở nồng độ thấp.
• Dễ biến đổi bề mặt để gắn kết với DNA, protein hoặc thuốc.

Cấu trúc và Tính chất Vật lý

Cấu trúc tinh thể cơ bản của hạt nano vàng vẫn là lập phương tâm diện (Face-Centered Cubic – FCC), giống với vàng ở trạng thái khối. Tuy nhiên, do tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích tăng mạnh khi thu nhỏ kích thước, các hạt nano vàng có nhiều nguyên tử bề mặt, dẫn đến hoạt tính bề mặt cao và tính chất quang học, điện tử đặc thù. Sự đa dạng về hình dạng hạt cũng đóng vai trò quyết định đến tính chất vật lý của chúng.

Một số hình dạng phổ biến của AuNPs gồm:

• Hình cầu (nanospheres).
• Thanh nano (nanorods).
• Hạt tam giác hoặc lăng trụ.
• Hạt vỏ rỗng (nanoshells, nanocages).

Hình dạng khác nhau tạo ra sự dịch chuyển trong dải hấp thụ plasmon, ví dụ hạt cầu nhỏ thường có đỉnh hấp thụ quanh 520 nm, trong khi nanorods có thể hấp thụ trong vùng cận hồng ngoại.

Bảng dưới đây minh họa mối quan hệ giữa hình dạng và tính chất quang học của AuNPs:

Hình dạng	Kích thước điển hình	Vùng hấp thụ plasmon
Cầu	10–50 nm	500–550 nm
Nanorod (tỷ lệ dài/ngắn cao)	10 × 50 nm	650–900 nm
Lăng trụ tam giác	50–100 nm	600–800 nm
Nanoshell	50–200 nm	Điều chỉnh được từ khả kiến đến hồng ngoại

Phương pháp tổng hợp

Có nhiều phương pháp tổng hợp hạt nano vàng với mục tiêu kiểm soát kích thước, hình dạng và độ ổn định. Các phương pháp phổ biến gồm hóa học, vật lý và sinh học. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào ứng dụng. Trong nghiên cứu y sinh, các phương pháp “xanh” dùng chiết xuất thực vật hoặc vi sinh vật ngày càng được ưa chuộng nhờ an toàn và thân thiện môi trường.

Phương pháp hóa học thường sử dụng chất khử để biến đổi ion vàng (Au³⁺) thành kim loại vàng (Au⁰). Một ví dụ điển hình là phương pháp Turkevich-Frens, dùng natri citrate để khử HAuCl₄ trong dung dịch, tạo hạt cầu với kích thước khoảng 10–20 nm. Việc điều chỉnh nồng độ citrate và nhiệt độ phản ứng cho phép kiểm soát kích thước hạt. Ngoài ra, chất hoạt động bề mặt như CTAB được dùng để định hình nanorods.

Phương pháp vật lý như bay hơi – ngưng tụ, chiếu xạ laser, hoặc phún xạ magnetron được áp dụng khi cần hạt có độ tinh khiết cao và ít tạp chất hóa học. Các kỹ thuật này thường đòi hỏi thiết bị phức tạp và chi phí cao.

Phương pháp sinh học được xem là hướng đi bền vững. Vi khuẩn, nấm hoặc chiết xuất thực vật (lá trà xanh, vỏ cây quế, nghệ) có thể khử ion vàng tạo thành hạt nano. Phương pháp này thân thiện môi trường, ít độc hại, nhưng khó kiểm soát hình dạng và kích thước chính xác.

Các kỹ thuật đặc trưng và phân tích

Đặc trưng và phân tích hạt nano vàng là bước thiết yếu để xác định kích thước, hình dạng, cấu trúc và tính chất quang học. Trong nghiên cứu, người ta sử dụng nhiều kỹ thuật phối hợp nhằm cung cấp thông tin toàn diện. Một trong những đặc điểm quan trọng nhất được theo dõi là dải plasmon trong phổ UV-Vis, giúp ước lượng kích thước và hình dạng hạt.

Các kỹ thuật phổ biến:

• Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và quét (SEM) để quan sát trực tiếp hình thái hạt và kích thước.
• Phổ UV-Vis: theo dõi đỉnh hấp thụ plasmon, thường xuất hiện quanh 520 nm đối với hạt cầu nhỏ.
• Nhiễu xạ tia X (XRD): xác định cấu trúc tinh thể FCC.
• Động học ánh sáng tán xạ (DLS): đo phân bố kích thước hạt trong dung dịch.
• Phân tích quang phổ hồng ngoại (FTIR): đánh giá nhóm chức gắn trên bề mặt hạt.

Một số thí nghiệm còn kết hợp phổ Raman tăng cường bề mặt (SERS), lợi dụng AuNPs làm nền tăng tín hiệu phân tử. Đây là công cụ quan trọng trong phát hiện phân tử ở nồng độ cực thấp, đặc biệt trong sinh học phân tử và y học chẩn đoán.

Ứng dụng trong Y sinh học

Hạt nano vàng (AuNPs) được xem là một trong những vật liệu hứa hẹn nhất trong y học hiện đại nhờ tính tương thích sinh học và khả năng điều chỉnh bề mặt linh hoạt. Nhờ hiệu ứng plasmon bề mặt, chúng hấp thụ ánh sáng mạnh ở vùng khả kiến và cận hồng ngoại, có thể biến năng lượng ánh sáng thành nhiệt cục bộ. Tính chất này được tận dụng trong liệu pháp quang nhiệt (photothermal therapy), nơi AuNPs tập trung tại khối u và sau đó bị chiếu tia laser, sinh ra nhiệt để tiêu diệt tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đáng kể đến mô khỏe mạnh.

AuNPs cũng được sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán y khoa. Chúng là thành phần quan trọng trong các xét nghiệm miễn dịch sắc ký dòng chảy (lateral flow assay), điển hình là que thử thai hoặc test nhanh COVID-19. Màu đỏ đặc trưng của AuNPs hình cầu xuất hiện nhờ hiện tượng LSPR, giúp hiển thị tín hiệu rõ ràng trong các xét nghiệm nhanh, đơn giản và chi phí thấp.

Ngoài ra, AuNPs còn được nghiên cứu như phương tiện vận chuyển thuốc (drug delivery). Nhờ bề mặt dễ biến đổi, AuNPs có thể gắn thuốc, DNA, RNA hoặc kháng thể, giúp hướng đích chính xác đến tế bào bệnh. Điều này không chỉ tăng hiệu quả điều trị mà còn giảm liều thuốc cần thiết và hạn chế tác dụng phụ toàn thân. Theo National Cancer Institute, các nghiên cứu lâm sàng về sử dụng AuNPs trong ung thư đang phát triển mạnh, mở ra triển vọng cho y học cá thể hóa.

Ứng dụng trong Công nghệ và Vật liệu

Trong công nghệ nano và khoa học vật liệu, AuNPs đóng vai trò quan trọng nhờ tính chất quang, điện và xúc tác đặc thù. Trong lĩnh vực điện tử và cảm biến, AuNPs được sử dụng làm điện cực dẫn điện siêu nhỏ, tăng độ nhạy và khả năng phát hiện tín hiệu. Nhờ khả năng khuếch đại tín hiệu plasmon, AuNPs được ứng dụng trong cảm biến sinh học để phát hiện dấu ấn sinh học (biomarkers) ở nồng độ cực thấp.

Trong lĩnh vực xúc tác, AuNPs thể hiện hoạt tính vượt trội so với vàng khối. Khi được phân tán trên chất nền như TiO₂ hoặc SiO₂, AuNPs trở thành chất xúc tác hiệu quả trong nhiều phản ứng hóa học, bao gồm oxy hóa CO, khử nitroaromatic và tổng hợp hữu cơ. Sự hoạt hóa mạnh này bắt nguồn từ tỷ lệ bề mặt cao và các trạng thái điện tử độc đáo ở kích thước nano.

Ngoài công nghiệp nặng, AuNPs cũng xuất hiện trong các sản phẩm tiêu dùng. Trong mỹ phẩm, AuNPs được sử dụng trong kem dưỡng da cao cấp nhờ khả năng chống oxy hóa và tạo hiệu ứng ánh kim. Trong ngành thực phẩm, chúng được nghiên cứu như chất màu sinh học và chất bảo quản tiềm năng, mặc dù việc ứng dụng thực tế vẫn cần xem xét kỹ lưỡng về an toàn.

Tác động Môi trường và An toàn

Bên cạnh tiềm năng ứng dụng rộng rãi, AuNPs cũng đặt ra thách thức liên quan đến độc tính và ảnh hưởng môi trường. Một số nghiên cứu cho thấy AuNPs có thể tích tụ trong cơ thể sinh vật, đặc biệt tại gan, lách và hệ thần kinh, tùy thuộc vào kích thước, hình dạng và chất phủ bề mặt. Ở nồng độ thấp, AuNPs được coi là tương thích sinh học, nhưng ở nồng độ cao hoặc khi tiếp xúc kéo dài, chúng có thể gây stress oxy hóa và viêm.

Trong môi trường tự nhiên, AuNPs có khả năng tương tác với vi sinh vật và chất hữu cơ hòa tan, thay đổi tính chất và tiềm năng độc tính. Do vậy, cần có các nghiên cứu dài hạn và hệ thống để đánh giá toàn diện tác động sinh thái của AuNPs. Cơ quan như National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) đang tiến hành các nghiên cứu nhằm xây dựng khung pháp lý an toàn cho việc sử dụng hạt nano kim loại trong y học và công nghiệp.

Bảng dưới đây tóm tắt một số yếu tố ảnh hưởng đến độc tính của AuNPs:

Yếu tố	Tác động tiềm năng
Kích thước hạt	Hạt nhỏ (<10 nm) dễ xâm nhập tế bào và tích tụ trong cơ quan
Hình dạng	Nanorods và nanoshells có xu hướng độc tính khác với hạt cầu
Chất phủ bề mặt	Lớp phủ sinh học (PEG, protein) giảm độc tính, lớp phủ cationic tăng độc tính
Nồng độ	Nồng độ cao có thể gây stress oxy hóa và phá hủy DNA

Xu hướng nghiên cứu hiện nay

Nghiên cứu hạt nano vàng đang phát triển theo nhiều hướng mới. Một trong những xu hướng nổi bật là tối ưu hóa phương pháp tổng hợp “xanh”, sử dụng chiết xuất thực vật hoặc vi sinh vật để thay thế chất hóa học độc hại. Điều này vừa giảm chi phí vừa thân thiện với môi trường, đáp ứng nhu cầu sản xuất bền vững.

Một xu hướng khác là kiểm soát chính xác hình dạng và kích thước hạt, nhằm điều chỉnh dải plasmon và tối ưu hiệu quả ứng dụng. Ví dụ, nanorods được thiết kế để hấp thụ ở vùng cận hồng ngoại, thuận lợi cho liệu pháp quang nhiệt do ánh sáng cận hồng ngoại xuyên sâu vào mô sinh học. Trong cảm biến sinh học, AuNPs được kết hợp với DNA, aptamer hoặc kháng thể để tăng độ nhạy và đặc hiệu trong phát hiện bệnh.

Ngoài ra, sự kết hợp giữa AuNPs và trí tuệ nhân tạo (AI) đang mở ra hướng đi mới. AI được sử dụng để phân tích dữ liệu phổ phức tạp, dự đoán tính chất AuNPs dựa trên điều kiện tổng hợp, và tối ưu hóa thiết kế cho ứng dụng trong y học cá thể hóa. Sự giao thoa giữa vật liệu nano và công nghệ số được kỳ vọng sẽ thúc đẩy mạnh mẽ lĩnh vực y sinh và công nghệ cao.

Tài liệu tham khảo

• National Cancer Institute. Nanotechnology in Cancer. 2023.
• National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS). Nanomaterials and Health. 2023.
• Daniel, M. C., & Astruc, D. (2004). Gold nanoparticles: assembly, supramolecular chemistry, quantum-size-related properties, and applications toward biology, catalysis, and nanotechnology. Chemical Reviews, 104(1), 293–346.
• Jain, P. K., Huang, X., El-Sayed, I. H., & El-Sayed, M. A. (2008). Noble metals on the nanoscale: optical and photothermal properties and some applications in imaging, sensing, biology, and medicine. Accounts of Chemical Research, 41(12), 1578–1586.
• Turkevich, J., Stevenson, P. C., & Hillier, J. (1951). A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold. Discussions of the Faraday Society, 11, 55–75.
• Dykman, L., & Khlebtsov, N. (2012). Gold nanoparticles in biomedical applications: recent advances and perspectives. Chemical Society Reviews, 41(6), 2256–2282.
• Khlebtsov, N. G., & Dykman, L. A. (2011). Optical properties and biomedical applications of plasmonic nanoparticles. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 111(1), 1–35.