Ứng dụng gần nhất của hạt nano vàng là sử dụng làm chỉ thị màu trong các que thử, thiết bị y sinh.
Nguyên liệu chế tạo que thử Covid-19
PGS.TS Nghiêm Thị Hà Liên, Viện Vật lý, (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) cho biết, có lẽ chưa bao giờ ứng dụng của hạt nano vàng lại gần gũi với công chúng như hai năm đại dịch vừa qua, khi một sản phẩm có chứa nano vàng đã được cả tỉ người trên thế giới cùng sử dụng là kít thử phát hiện virus SARS-CoV-2. Nhưng không phải đến khi Covid-19 xuất hiện thì hạt nano vàng mới được dùng trong các que thử.
Là một trong những loại hạt nano được sử dụng rộng rãi nhất trong những năm gần đây, hạt nano vàng có mặt trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng của rất nhiều lĩnh vực như hóa học, phân tích sinh học, quang xúc tác trong xử lý môi trường, chẩn đoán và điều trị trong y sinh (hiện ảnh trường tối, các loại que thử khác nhau như que thử thai, thử virus), liệu pháp quang nhiệt trị, chuyển đổi năng lượng trong pin Mặt trời thế hệ mới… Dẫu vậy, cho đến nay, mới chỉ có một số ít quy trình chuẩn và đơn giản để tạo hạt nano vàng thực sự sử dụng được.
Lý do là bởi, một trong những yêu cầu tối quan trọng để hạt nano có thể đi vào thực tiễn là quy trình sản xuất ra chúng phải kiểm soát được chặt chẽ kích thước, hình dạng và độ đơn phân tán của các hạt nano vàng.
Các tính chất điện, quang và hóa/sinh được khai thác trong những ứng dụng của hạt nano vàng phụ thuộc rất lớn vào kích thước, hình dạng và độ đơn phân tán của các hạt nano, do đó việc kiểm soát các điều kiện này phải vô cùng chính xác.
"Nếu cần phải chế tạo một số lượng lớn hạt nano vàng thì với những yêu cầu kiểm soát nhiệt độ hay các điều kiện nghiêm ngặt khác, quá trình chế tạo hạt nano sẽ vô cùng phức tạp và khó khăn", PGS.TS Hà Liên nói.
Yếu tố khiến các phương pháp chế tạo hạt nano vàng hiện nay phức tạp nằm ở chỗ, hầu hết các kỹ thuật đều tiếp cận theo cách "từ trên xuống" với các phương pháp vật lý như điện phân, dùng laser bắn phá từ vàng khối; hoặc đi "từ dưới lên" bằng các phương pháp hóa học từ khử ion vàng đến phản ứng để tạo hạt nano. TS Liên chọn cách nuôi các hạt nhỏ lớn dần, giống như gieo mầm do hạt nano vàng có khả năng tự xúc tác.
PGS.TS Hà Liên nghiên cứu ra một quy trình chế tạo thực hiện được ở nhiệt độ phòng và có thời gian phản ứng ngắn. Các phương pháp khác cần đến yếu tố nhiệt độ cao là do phụ thuộc vào tác nhân khử.
"Nếu dùng tác nhân khử và điều kiện khác đi thì sẽ giảm được thế khử, giảm năng lượng phản ứng xuống, nhờ đó sẽ không phải gia nhiệt nữa", chị lý giải. Đó cũng là lý do sau khi thử nghiệm nhiều lần, PGS.TS Hà Liên quyết định chọn andehit fomic (HCHO) làm tác nhân khử thay cho những chất ở các giải pháp trước.
Tạo ra hạt nano vàng từ 5 - 20 phút
PGS.TS Nghiêm Thị Hà Liên với nghiên cứu đột phá tạo ra hạt nano vàng theo hướng đi mới.
Với phương pháp của nhóm, các hạt vàng sẽ được chế tạo và kiểm soát chỉ đơn giản thông qua việc thay đổi nồng độ tiền chất ở hạt mầm. Theo đó, các hạt nano vàng sẽ được chế tạo bằng cách sử dụng HAuCl4 (một chất phổ biến trong phương pháp nuôi mầm) để làm tiền chất; K2CO3 để kiểm soát độ pH của dung dịch và andehit fomic làm tác nhân khử.
Cụ thể, mầm nano vàng sau khi được tổng hợp bằng phương pháp Duff Baiker (phương pháp cổ điển tạo ra các hạt nano vàng nhỏ) sẽ được bổ sung vào dung dịch vàng hydroxit, sau đó bổ sung từ từ chất khử là HCHO vào với lượng vừa đủ để khử vàng hydroxit thành vàng.
"Quá trình khử diễn ra trên bề mặt mầm nano vàng nên các mầm này có kích thước tăng dần với chất khử là HCHO", PGS.TS Hà Liên cho biết. Do phản ứng khử xảy ra ở nhiệt độ phòng nên dễ dàng tính được lượng HCHO bổ sung sao cho đủ để khử hoàn toàn vàng hydroxit thành vàng, CO2 và H2O, mà không còn dư tác nhân khử nữa.
Sau đó, có thể tùy ý sử dụng dung dịch chứa các hạt nano vàng thu được ở bước trước thay cho dung dịch mầm nano vàng và lặp lại nhiều lần bước này cho đến khi thu được hạt nano vàng có kích thước cần thiết.
Nhóm của PGS.TS Hà Liên có thể tạo ra các hạt nano vàng dạng cầu với đường kính bất kỳ nằm trong khoảng từ 5-220 nm. Không chỉ vậy, quy trình này còn không bị giới hạn kích thước mà còn có thể mở rộng để làm ra các hạt nano có đường kính nằm ngoài khoảng trên, đồng thời cũng có thể được áp dụng cho những hạt nano có thành phần kim loại quý khác.
Đáng chú ý, quá trình phát triển hạt nano của PGS.TS Hà Liên chỉ cần một khoảng thời gian từ 5 - 20 phút ở nhiệt độ phòng - tương đương với thời gian khi sử dụng phương pháp hồi lưu thực hiện phản ứng trong điều kiện nhiệt độ cao (90 - 100°C).
Để thử nghiệm hiệu quả thực tế, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các hạt nano vàng có đường kính 5nm làm hạt mầm để "nuôi" và tạo ra các hạt nano vàng có kích thước 40 nm, 55nm, 85nm và 100nm có độ đơn phân tán cao bằng cách kiểm soát nồng độ tương đối của các mầm vàng và tiền chất tạo vàng dưới các điều kiện phù hợp.
Kết quả kiểm tra dưới kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho thấy các hạt đều có kích thước như mong muốn. Không chỉ có độ đồng đều về ngoại hình, các hạt nano vàng này cũng không có tạp chất như sản phẩm của một số phương pháp thông thường, nhờ đó việc gắn kết phân tử sinh học lên các hạt khi ứng dụng vào trong thực tiễn cũng dễ dàng hơn.
Theo PGS. TS Hà Liên, một trong những ứng dụng gần nhất của hạt nano vàng là sử dụng làm chỉ thị màu trong các que thử, thiết bị y sinh. Tất nhiên, muốn ráp với que thử thì cần phải có một đơn vị về sinh học làm ra kháng thể thì mới giải quyết được.Khó khăn là hiện nay, nước ta hầu như vẫn chưa chủ động được việc sản xuất kháng thể do quy trình sản xuất còn khó và đắt, trong khi đây lại là thành phần có vai trò mấu chốt trong các que thử.Do đó, mong muốn của chị chính là làm sao kết hợp được với những đơn vị sản xuất que thử để nghiên cứu gắn kết kháng thể với hạt nano chỉ từ nguyên liệu ở Việt Nam.
